Von Sperling Vol 3

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PRINCÍPIOS DO TRATAMENTO BIOLÓGICO DE ÁGUAS RESIDUÁRIAS VOLUME 3 Lagoas de estabilização 44253 MARCOS VON Departamento de Engenharia Sanitária Ambiental DESA Universidade Federal de Minas SPERLINGCopyright © 1996 by Marcos von Sperling Este livro não pode ser reproduzido por qualquer meio sem autorização escrita do autor. Capa, Editoração Eletrônica e Impressão: SEGRAC (031) 411-7077 impressão: 1996 (tiragem: 1.000 exemplares) impressão: 1997 (tiragem: 500 exemplares) impressão: 1998 (tiragem: 1.000 exemplares) Impresso no Brasil Ficha catalográfica von Sperling, Marcos V9451 Lagoas de estabilização / Marcos von Sperling. Belo Horizonte Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental; Universidade Federal de Minas Gerais; 1996. 134 p. (Princípios do tratamento biológico de águas residuárias; v.3) 1. Lagoas de estabilização. 2. Águas residuárias. Tratamento biológico. I. Título. CDU: 628.35 CDD: 628.3 A meus irmãos, ISBN: 85-85266-06-6 Cláudio, Eduardo e Glorinha Apoio: DESA-UFMG (Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da Universidade Federal de Minas Gerais) Projeto DESA/GTZ (Sociedade Alemã de Cooperação Técnica) CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) ABES (Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental) Como solicitar livro: Marcos von Sperling Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental UFMG Av. Contorno, 842 andar 30110-060 Belo Horizonte MG Brasil Fax:ciência, de forma a reduzir o número de consultas cruzadas aos demais volumes. Retomando um comentário do prefácio do primeiro volume, deve-se encarar a SUMÁRIO presente série apenas como uma contribuição, dentro de um esforço mais amplo, que deve ser abraçado por todos nós, de implantar no país uma infra-estrutura sanitária que permita a melhoria das condições ambientais e da qualidade de vida da nossa população. autor considera como totalmente bem-vindos quaisquer comentários e suges- tões para a melhoria deste volume, ou de qualquer dos outros volumes da série. Finalmente, gostaria de agradecer a todos aqueles que contribuiram e que pros- seguem contribuindo para a realização desta série. A nível individual, um agradeci- CAPÍTULO 1 mento a todos que se motivaram, juntamente comigo, a dar forma e conteúdo aos Introdução livros. A nível institucional, às entidades e agências responsáveis pela viabilização do empreendimento: Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental da UFMG INTRODUÇÃO 11 (DESA-UFMG), Sociedade Alemã de Cooperação Técnica (GTZ) e Conselho Na- cional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). CAPÍTULO 2 Lagoas facultativas Marcos von Sperling INTRODUÇÃO 17 Janeiro de 1996 DESCRIÇÃO DO PROCESSO 18 A INFLUÊNCIA DAS ALGAS 20 4. A INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS 23 CRITÉRIOS DE PROJETO 26 6. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO 30 6.1. A influência do regime hidráulico 30 6.2. DBO efluente solúvel e particulada 32 6.3. A remoção de DBO segundo os regimes hidráulicos idealizados 35 6.4. A remoção de DBO segundo o regime hidráulico de fluxo disperso 37 ARRANJOS DE LAGOAS 44 ACÚMULO DE LODO 45 CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO 46 PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS 46 EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO 47CAPÍTULO 3 CAPÍTULO 5 Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 1. INTRODUÇÃO 51 1. INTRODUÇÃO 73 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO 52 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO 74 3. CRITÉRIOS DE PROJETO PARA AS LAGOAS ANAERÓBIAS 53 3. CRITÉRIOS DE PROJETO DAS LAGOAS AERADAS 75 4. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO 4. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO DA LAGOA ANAERÓBIA 55 DE DBO EFLUENTE DA LAGOA AERADA 76 5. DIMENSIONAMENTO DAS LAGOAS FACULTATIVAS 56 5. REQUISITOS DE OXIGÊNIO NA LAGOA AERADA 78 6. ACÚMULO DE LODO NAS LAGOAS ANAERÓBIAS 56 6. REQUISITOS ENERGÉTICOS NA LAGOA AERADA 79 7. RECIRCULAÇÃO DO EFLUENTE FINAL 56 7. DIMENSIONAMENTO DA LAGOA DE DECANTAÇÃO 79 8. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO 57 8. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO 81 CAPÍTULO 4 CAPÍTULO 6 Lagoas aeradas facultativas Lagoas de maturação 1. INTRODUÇÃO 61 1. INTRODUÇÃO 87 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO 62 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO 87 3. CRITÉRIOS DE PROJETO 62 3. ESTIMATIVA DA 4. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE COLIFORMES 88 63 3.1. A influência do regime hidráulico 88 5. REQUISITOS DE OXIGÊNIO 65 3.2. Os regimes hidráulicos idealizados 89 6. SISTEMA DE AERAÇÃO 3.3. regime hidráulico de fluxo disperso 91 66 3.4. coeficiente de decaimento bacteriano Kb 93 7. REQUISITOS ENERGÉTICOS 68 4. REQUISITOS DE QUALIDADE PARA EFLUENTE 96 8. ACÚMULO DE LODO 69 5. CRITÉRIOS DE PROJETO 97 9. EXEMPLO DE 69 6. EXEMPLO DE 98 CAPÍTULO 7 Remoção de nutrientes 1. REMOÇÃO DE NITROGÊNIO 105 2. REMOÇÃO DE FÓSFORO 106CAPÍTULO 8 CAPÍTULO 1 Lagoas de estabilização como pós-tratamento de reatores anaeróbios Introdução LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO COMO PÓS-TRATAMENTO DE REATORES ANAERÓBIOS 107 CAPÍTULO 9 Aspectos construtivos Os sistemas de lagoas de estabilização constituem-se na forma mais simples para o tratamento dos esgotos. Há diversas variantes dos sistemas de lagoas de estabiliza- 1. INTRODUÇÃO 109 ção, com diferentes níveis de simplicidade operacional e requisitos de área. São os 2. LOCAÇÃO DAS LAGOAS seguintes os sistemas de lagoas abordados no presente texto: 109 lagoas facultativas 3. DESMATAMENTO, LIMPEZA E ESCAVAÇÃO DO TERRENO 111 sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas 4. TALUDES lagoas aeradas facultativas 111 sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas por lagoas de decantação 5. FUNDO DAS LAGOAS 114 6. DISPOSITIVOS DE ENTRADA Além destas lagoas, cujo principal objetivo é a remoção da matéria carbonácea, 115 analisam-se também as lagoas de maturação, direcionadas à remoção de patogênicos. 7. DISPOSITIVOS DE SAÍDA 118 De maneira geral, as lagoas de estabilização são bastante indicadas para as condições brasileiras, devido aos seguintes aspectos: suficiente disponibilidade de área em um grande número de localidades CAPÍTULO 10 clima favorável (temperatura e insolação elevadas) Manutenção e operação operação simples 1. INTRODUÇÃO necessidade de poucos ou nenhum equipamento 121 2. EQUIPE DE TRABALHO 121 Quadro 1.1 apresenta uma descrição sucinta dos principais sistemas de lagoas analisados. Os respectivos fluxogramas encontram-se na Figura 1.1 (von Sperling, 3. INSPEÇÃO, COLETAS E MEDIÇÕES 122 1995b). 4. INÍCIO DE OPERAÇÃO 124 4.1. Carregamento das lagoas 124 4.2. Início de operação de lagoas anaeróbias 125 4.3. Início de operação de lagoas facultativas 126 4.4. Início de operação de lagoas em sistemas em série 126 5. PROBLEMAS OPERACIONAIS 126 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 133 Introdução 11Quadro 1.1 Descrição sucinta dos principais sistemas de lagoas de estabilização SISTEMAS DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO Sistema Descrição CORPO A DBO solúvel e finamente particulada é estabilizada aerobiamente por bactérias LAGOA FACULTATIVA RECEPTOR Lagoa dispersas no meio líquido, ao passo que a DBO suspensa tende a sedimentar, sendo facultativa estabilizada anaerobiamente por bactérias no fundo da lagoa. oxigênio requerido pelas GRADE DESARENADOR MEDIDOR LAGOA FACULTATIVA bactérias aeróbias é fornecido pelas algas, através da fotossíntese Lagoa anaeróbia A DBO é em torno de 50% estabilizada na lagoa anaeróbia (mais profunda e com menor lagoa volume), enquanto a DBO remanescente é removida na lagoa facultativa. sistema facultativa ocupa uma área inferior ao de uma lagoa facultativa fase fase sólida sólida Lagoa Os mecanismos de remoção da DBO são similares aos de uma lagoa facultativa. No aerada entanto, oxigênio é fornecido por aeradores mecânicos, ao invés de através da fotossíntese. Como a lagoa é também facultativa, uma grande parte dos sólidos do esgoto SISTEMA: LAGOA ANAERÓBIA LAGOA FACULTATIVA CORPO facultativa RECEPTOR e da biomassa sedimenta, sendo decomposta anaerobiamente no fundo. MEDIDOR A energia introduzida por unidade de volume da lagoa é elevada, o que faz com que os GRADE DESARENADOR VAZÃO LAGOA ANAERÓBIA LAGOA FACULTATIVA Lagoa sólidos (principalmente a biomassa) permaneçam dispersos no meio líquido, ou em aerada de mistura completa. A decorrente maior concentração de bactérias no meio líquido aumenta mistura a eficiência do sistema na remoção da DBO, que permite que a lagoa tenha um volume completa inferior ao de uma lagoa aerada facultativa. No entanto, efluente contém elevados teores fase lagoa de de sólidos (bactérias), que necessitam ser removidos antes do lançamento no corpo fase sólida sólida decantação receptor. A lagoa de decantação a jusante proporciona condições para esta remoção. lodo da lagoa de decantação deve ser removido em períodos de poucos LAGOA AERADA FACULTATIVA objetivo principal da lagoa de maturação é a remoção de patogênicos. Nas lagoas de CORPO RECEPTOR maturação predominam condições ambientais adversas para patogênicos, como LAGOA AERADA FACULTATIVA GRADE DESARENADOR MEDIDOR Lagoa de radiação ultra-violeta, elevado pH, elevado OD, temperatura mais baixa que a do corpo VAZÃO maturação humano, falta de nutrientes e predação por outros organismos. As lagoas de maturação constituem um pós-tratamento de processos que objetivem a remoção da DBO, sendo usualmente projetadas como uma série de lagoas, ou como uma lagoa única com divisões por A eficiência na remoção de coliformes é bastante elevada. fase fase sólida sólida Quadro 1.2 apresenta uma comparação entre as principais características dos SISTEMA: LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA LAGOA DE DECANTAÇÃO sistemas de lagoas analisados, enquanto Quadro 1.3 apresenta um balanço de CORPO vantagens e desvantagens de cada sistema (von Sperling, 1995b). Quadro 1.4 lista RECEPTOR LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA LAGOA DE DECANTAÇÃO os principais parâmetros utilizados nos projetos dos sistemas de lagoas, os quais GRADE DESARENADOR MEDIDOR VAZÃO encontram-se detalhados nos demais capítulos. Quadro 1.2 Características dos principais sistemas de lagoas para a remoção da DBO fase fase sólida sólida Sistema de lagoas Item geral Item específico Anaeróbia Aerada Facultativa Aerada de mistura facultativa facultativa completa decantação Fig. 1.1. Fluxogramas dos principais sistemas de lagoas de estabilização para a remoção da DBO DBO (%) 70 85 70 90 70 90 70 90 Eficiência Nitrogênio (%) 30 50 30 50 30 50 Fósforo (%) 20 60 20 60 20 60 Coliformes (%) 60 99 60 99,9 60 96 60 99 Requisitos Área (m²/hab) 2,0 - 5,0 1,5 3,5 0,3 0,6 0,2 0,5 Potência (W/hab) 1,0 1,7 1,0 1,7 Custos Implantação (US$/hab) 10 25 10 25 10 25 12 Lagoas de estabilização Introdução 13Quadro 1.3. Análise comparativa dos principais sistemas de lagoas para a remoção da DBO. Quadro 1.4 Principais parâmetros de projeto das lagoas de estabilização Balanço de vantagens e desvantagens Lagoas SISTEMAS DE LAGOAS DE ESTABILIZAÇÃO Lagoas aeradas Lagoas Lagoas Lagoas Lagoas Sistema Parâmetro de projeto, aeradas de de de Vantagens Desvantagens anaeróbias facultativas facultativas mistura decantação maturação Lagoa Satisfatória eficiência na remoção de DBO Elevados requisitos de área completa facultativa Eficiente na remoção de patogênicos Dificuldade em satisfazer padrões de Construção, operação e manutenção lançamento bem restritivos Tempo de detenção (d) 2-4 =2 (**) simples A simplicidade operacional pode trazer Taxa de aplicação superf. - - Reduzidos custos de implantação e descaso na manutenção (crescimento de Taxa de aplicação volum. 0,1 0,3 operação vegetação) Profundidade (m) 4,0 - 5,0 2,5 - 4,5 3,0 - 4,0 0,8 1,5 Ausência de equipamentos mecânicos Possível necessidade de remoção de Relação L/B (comprimento/largura) usual =1 2a4 2a4 1a2 (***) Requisitos energéticos praticamente nulos algas do efluente para cumprimento de Satisfatória resistência a variações de padrões rigorosos Coef. rem. DBO (mist. completa) (20°C) (d⁻¹) - 0,30 - 0,35 0,6 - 0,8 carga Performance variável com as condições Coef. temperatura (mist. completa) 1,05 1,085 1,035 1,035 Remoção de lodo necessária apenas após climáticas (temperatura e insolação) períodos superiores a 20 anos Número de dispersão (L/B=1) - Possibilidade do crescimento de insetos Número de dispersão (L/B=2 a 4) 0,1 0,5 Sistema de Idem lagoas facultativas Idem lagoas facultativas Número de dispersão (L/B >= 5) 0,02 0,3 0,03 0,23 lagoa Requisitos de área inferiores aos das Possibilidade de maus odores na lagoa anaeróbia lagoas facultativas únicas anaeróbia Coef. rem. DBO (fluxo disperso) - - - lagoa Eventual necessidade de elevatórias de Coef. temperatura (fluxo disperso) 1,035 facultativa recirculação do efluente, para controle de maus odores DBO particulada efluente 0,3 0,4 0,3 0,6 Necessidade de um afastamento razoável Requisitos médios de remov) às residências circunvizinhas Densidade de potência 10; relação L/B em cada lagoa de uma série de mais de 3 lagoas: = 1 Satisfatória resistência a variações de carga Reduzidas possibilidades de maus odores Sistema de Idem lagoas aeradas facultativas Idem lagoas aeradas facultativas lagoa Menores requisitos de área de todos os (exceção: requisitos de área) aerada de sistemas de lagoas Preenchimento rápido da lagoa de mistura decantação com lodo (2 a 5 anos) completa Necessidade de remoção contínua ou lagoa de periódica (2 a 5 anos) do lodo decantação 14 Lagoas de estabilização Introdução 15CAPÍTULO 2 Lagoas facultativas 1. INTRODUÇÃO As lagoas facultativas são a variante mais simples dos sistemas de lagoas de estabilização. Basicamente, o processo consiste na retenção dos esgotos por um período de tempo longo o suficiente para que os processos naturais de estabilização da matéria orgânica se desenvolvam. As principais vantagens e desvantagens das lagoas facultativas estão associadas, portanto, à predominância dos fenômenos As vantagens relacionam-se à grande simplicidade e à confiabilidade da operação. Os processos naturais são via de regra confiáveis: não há equipamentos que possam estragar ou esquemas especiais requeridos. No entanto, a natureza é lenta, necessi- tando de longos tempos de detenção para que as reações se completem, o que implica em grandes requisitos de área. A atividade biológica é grandemente afetada pela temperatura, principalmente nas condições naturais das lagoas. Desta forma, as lagoas de estabilização são mais apropriadas onde a terra é barata, o clima favorável, e se deseja ter um método de tratamento que não requeira equipamentos ou uma capaci- tação especial dos operadores (Arceivala, 1981). Os custos das lagoas de estabilização são bastante competitivos, desde que os custos do terreno ou a necessidade de movimentos de terra não sejam excessivos. A construção é simples, envolvendo principalmente movimento de terra, e os custos operacionais são desprezíveis, em comparação com outros métodos de tratamento. A eficiência do sistema é usualmente satisfatória, podendo chegar a níveis comparáveis à da maior parte dos tratamentos secundários. CORPO LAGOA FACULTATIVA RECEPTOR GRADE DESARENADOR MEDIDOR VAZAO LAGOA FACULTATIVA fase fase sólida sólida Fig. 2.1 Lagoa facultativa Lagoas facultativas 172. DESCRIÇÃO DO PROCESSO LAGOA FACULTATIVA esgoto afluente entra em uma extremidade da lagoa e sai na extremidade oposta. Ao longo desse percurso, que demora vários dias, uma série de mecanismos contribui para a purificação dos esgotos. Estes mecanismos ocorrem nas três zonas das lagoas, denominadas: zona anaeróbia, zona aeróbia e zona facultativa. Energia luminosa A matéria orgânica em suspensão (DBO particulada) tende a sedimentar, vindo O2 CO2 a constituir o lodo de fundo (zona anaeróbia). Este lodo sofre o processo de decomposição por microrganismos anaeróbios, sendo convertido lentamente em gásde elétrons, como nitratos (condições anóxicas) e sulfatos e CO2 (condições anaeró- são bastante reduzidos: as algas azuis podem proliferar em qualquer ambiente onde bias). Esta zona, onde pode ocorrer a presença ou a ausência de oxigênio, é denomi- haja apenas CO2, água, alguns minerais e luz. Tais algas são típicas de situações nada zona facultativa. com baixos valores de pH e pouco nutriente nos esgotos. Nestas condições, as algas Como comentado, o processo de lagoas facultativas é essencialmente natural, não verdes não encontram ambiente favorável, ou servem de alimento a outros orga- necessitando de nenhum equipamento. Por esta razão, a estabilização da matéria nismos, como protozoários, conduzindo ao desenvolvimento das algas azuis. Entre orgânica se processa em taxas mais lentas, implicando na necessidade de um elevado principais gêneros, pode-se citar: Oscillatoria, Phormidium, Anacystis e Ana- período de detenção na lagoa (usualmente superior a 20 dias). A fotossíntese, para baena. que seja efetiva, necessita de uma elevada área de exposição para o melhor aprovei- tamento da energia solar pelas algas, desta forma implicando na necessidade de As algas fazem a fotossíntese durante as horas do dia sujeitas à radiação luminosa. grandes unidades. Em decorrência, a área total requerida pelas lagoas facultativas é Neste período, elas produzem a matéria orgânica necessária para a sua sobrevivência, a maior dentre todos os processos de tratamento dos esgotos (excluindo-se os convertendo a energia luminosa em energia química condensada na forma de alimen- processos de disposição sobre o solo). Por outro lado, o fato de ser um processo Durante as 24 horas do dia elas respiram, oxidando a matéria orgânica produzida, totalmente natural está associado a uma maior simplicidade operacional, fator de liberando a energia para crescimento, reprodução, locomoção e outros. balanço fundamental importância em nosso meio. entre produção (fotossíntese) e consumo (respiração) de oxigênio favorece ampla- efluente de uma lagoa facultativa possui as seguintes características principais mente o primeiro. De fato, as algas produzem cerca de 15 vezes mais oxigênio do (CETESB, 1989): que consomem (Abdel-Razik, 1991), conduzindo a um saldo positivo no sistema. cor verde devido às algas Devido à necessidade de energia luminosa, a maior quantidade de algas situa-se elevado teor de oxigênio dissolvido próximo à superfície da lagoa, local de alta produção de oxigênio. À medida em que se aprofunda na lagoa, a energia luminosa diminui, reduzindo, em decorrência, a sólidos em suspensão, embora praticamente nenhum seja sedimentável (as algas concentração de algas. Na camada superficial, com menos de 50 cm, situa-se a faixa praticamente não sedimentam no teste do cone Imhoff) de maior intensidade luminosa, com o restante da lagoa praticamente escura. Há um ponto ao longo da profundidade da lagoa em que a produção de oxigênio 3. A INFLUÊNCIA DAS ALGAS pelas algas se iguala ao consumo de oxigênio pelas próprias algas e pelos microrga- nismos decompositores. Este ponto é denominado de oxipausa (ver Figura 2.3). Numa lagoa de estabilização facultativa, as algas desempenham um papel funda- mental. A sua concentração é mais elevada do que a de bactérias, fazendo com que o líquido na superfície da lagoa seja predominantemente verde. Em termos de sólidos ALGAS, ENERGIA LUMINOSA E OXIGÊNIO EM FUNÇÃO DA PROFUNDIDADE em suspensão secos, a concentração é usualmente inferior a 200 mg/l, embora em termos de números as algas possam atingir contagens na faixa de 10⁴ a 10⁶ organismos por ml (Arceivala, 1981). Os principais tipos de algas encontrados nas lagoas de estabilização são (Silva Jr. e Sasson, 1993; Jordão e Pessoa, 1995): PROFUNDIDADE * Algas verdes (clorofíceas). Tais algas conferem à lagoa a cor esverdeada predo- ALGAS PRODUÇÃO DE OXIGÊNIO INTENSIDADE minante. Os principais gêneros são as Chlamydomonas, Euglena e Chlorella. Os LUMINOSA dois primeiros gêneros são normalmente os primeiros a aparecer na lagoa, tendendo OXIPAUSA a ser dominantes nos períodos frios, e possuindo flagelos, o que lhes confere a capacidade de locomoção. gênero Euglena tem grande capacidade de adaptação CONSUMO a diferentes condições climáticas. DE Algas azuis (cianofíceas). Em realidade, as algas azuis são muitas vezes referidas como se aproximando mais das bactérias do que das algas propriamente ditas. As algas azuis nunca apresentam organelas de locomoção como cílios, flagelos ou pseudópodes, mas podem se deslocar por deslizamento. Os requisitos de nutrientes Fig. 2.3. Algas, energia luminosa oxigênio em uma lagoa facultativa (seção transversal) 21 20 Lagoas de estabilização Lagoas facultativasAcima da oxipausa predominam condições aeróbias, enquanto abaixo desta, Durante o dia, nas horas de máxima atividade fotossintética, o pH pode atingir valores prevalecem as condições anóxicas ou anaeróbias. nível da oxipausa varia durante torno de 10. Nestas condições de elevado pH, podem ocorrer os seguintes fenômenos: as 24 horas do dia, em função da variabilidade da fotossíntese durante este período. Conversão da amônia ionizada a amônia livre (NH₃), a qual é tóxica, mas À noite, a oxipausa se eleva na lagoa, ao passo que durante o dia ela se aprofunda. tende a se liberar para a atmosfera A profundidade da zona aeróbia, além de variar ao longo do dia, varia também Precipitação dos fosfatos (remoção de nutrientes) com as condições de carga da lagoa. Lagoas com uma maior carga de DBO tendem Conversão do sulfeto causador de mau cheiro a bissulfeto inodoro a possuir uma maior camada anaeróbia, que pode ser praticamente total durante a noite. A Figura 2.4 ilustra esquematicamente a influência das condições de carga na espessura da camada aeróbia. 4. A INFLUÊNCIA DAS CONDIÇÕES AMBIENTAIS As principais condições ambientais em uma lagoa de estabilização são a radiação PROFUNDIDADE DA ZONA AERÓBIA a temperatura e o vento, as quais apresentam as influências listadas no Quadro EM FUNÇÃO DA CARGA DE DBO 2.1 (Jordão e Pessoa, 1995). Supefície dia noite dia noite Quadro 2.1 Influência dos principais fatores ambientais externos da lagoa zona aeróbia Fator Influência zona aeróbia Radiação solar Velocidade de fotossíntese Velocidade de fotossíntese - Taxa de decomposição bacteriana Temperatura Solubilidade e transferência de gases zona - Condições de mistura anaeróbia Condições de mistura zona Vento Reaeração atmosférica (*) anaeróbia (*) mecanismo de menor importância no balanço de OD Fundo da lagoa Baixa carga Elevada carga A influência da temperatura e da radiação solar na velocidade de fotossíntese pode de DBO de DBO ser vista esquematicamente na Figura 2.5. Fig. 2.4. Influência da carga da lagoa e da hora do dia na espessura das camadas aeróbias e anaeróbias A mistura em uma lagoa de estabilização ocorre principalmente através dos (adaptado de Arceivala, 1981) seguintes mecanismos: vento e diferencial de temperatura. A mistura é importante no desempenho da lagoa devido aos seguintes aspectos benéficos (Silva e Mara, 1979): Minimização da ocorrência de curto-circuitos hidráulicos pH na lagoa também varia ao longo da profundidade e ao longo do dia. pH Minimização da ocorrência de zonas estagnadas depende da fotossíntese e da respiração, através da seguinte relação: Homogeneização da distribuição no sentido vertical da DBO, algas e oxigênio Fotossíntese: Transporte para a zona fótica superficial das algas não motoras que tendem a Consumo de sedimentar íon bicarbonato do esgoto tende a se converter a Transporte para as camadas mais profundas do oxigênio produzido pela fotossín- - pH se eleva tese na zona fótica Respiração: Para maximizar a influência do vento, a lagoa não deverá ser cercada por Produção de obstáculos naturais ou artificiais que obstruam o acesso do vento. Da mesma forma, íon bicarbonato do esgoto tende a se converter a H+ a lagoa não deverá ter um contorno muito irregular, que dificulte a homogeneização pH se reduz das áreas mais periféricas com o corpo principal da lagoa. 22 23 Lagoas de estabilização Lagoas facultativasVELOCIDADE DE FOTOSSÍNTESE EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA E DA RADIAÇÃO pequena profundidade, como as lagoas de estabilização, a mistura pode ocorrer uma por dia, de acordo com a seguinte sequência ( Silva e Mara, 1979): da manhã, com vento. Mistura completa. A temperatura é uniforme ao longo da profundidade. 25° C Meio da manhã, com sol, sem vento. Aumento da temperatura na camada superficial (acima da termoclina). A temperatura no fundo (abaixo da termoclina) varia pouco, Velocidade de fotossíntese (g/s) sendo influenciada pela temperatura do solo. Estratificação. Início da noite, sem vento. A camada acima da termoclina perde calor mais 15° rapidamente do que a camada de fundo. Caso as temperaturas das camadas se aproximem, ocorre a mistura. Noite, com vento. vento auxilia na mistura das camadas. A camada superior afunda, e a inferior se eleva. DINÂMICA DE ESTRATIFICAÇÃO E MISTURA DE LAGOAS Intensidade da radiação luminosa (cal/m².d) Fig. 2.5. Influência da temperatura e da radiação luminosa na velocidade de fotossíntese (adaptado de LAGOA COM ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA Jordão e Pessoa, 1995) (períodos mais quentes) vento TEMPERATURA OD camada altura altura A lagoa está ainda sujeita a estratificação térmica, na qual a camada superior superior (quente) não se mistura com a inferior (fria). À medida em que se aprofunda na lagoa, termoclina camada há um ponto em que há um grande decréscimo na temperatura, acompanhado por um inferior elevado acréscimo de densidade e viscosidade. Este ponto é denominado termoclina. temperatura OD Ocorrem, assim, duas camadas distintas: a superficial (densidade menor) e a do fundo (densidade maior), as quais não se misturam (ver Figura 2.6). LAGOA COM MISTURA INVERSÃO TÉRMICA (entrada do período frio) comportamento das algas é influenciado pela estratificação, da seguinte forma: As algas não motoras sedimentam, atingindo a zona escura da lagoa, deixando de vento TEMPERATURA OD produzir oxigênio, e implicando, pelo contrário, no consumo do mesmo. altura altura As algas motoras tendem a fugir da camada mais superficial (30 a 50 cm) de elevada camada única temperatura (eventualmente 35°C), formando uma densa camada de algas, a qual dificulta a penetração da energia solar. temperatura OD Devido a estes aspectos, em lagoas estratificadas há uma baixa presença de algas na zona fótica, o que reduz a produção de oxigênio do sistema e, em consequência, Fig. 2.6. Estratificação e mistura em uma lagoa a sua capacidade de estabilizar a matéria orgânica. Em locais com pouco ou nenhum vento na superfície da lagoa, esta permanece estratificada. A estratificação pode ser quebrada por meio de um mecanismo de mistura natural, denominado inversão térmica (ver Figura 2.6). Em lagos tropicais estratificados, a inversão térmica pode ocorrer no período frio (inverno). Além disso, em lagos de 24 25 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas5. CRITÉRIOS DE PROJETO a 300 kgDBO5/ha.d, o que implica em menores áreas superficiais da lagoa. Por Os principais parâmetros de projeto das lagoas facultativas são: lado, locais de clima temperado requerem taxas de aplicação inferiores a 100 Taxa de aplicação superficial Em nosso país, tem-se adotado taxas variando de: Tempo de detenção Regiões com inverno quente e elevada insolação: Ls 240 a 350 kgDBO5/ha.d Taxa de aplicação superficial. critério da taxa de aplicação superficial Regiões com inverno e insolação moderados: = 120 a 240 kgDBO5/ha.d baseia-se na necessidade de se ter uma determinada área de exposição à luz solar na Regiões com inverno frio e baixa insolação: = 100 a 180 kgDBO5/ha.d lagoa, para que processo de fotossíntese ocorra. objetivo de se garantir a fotossíntese e, indiretamente, crescimento de algas, é o de se ter uma produção de Mara e Pearson (apud van Buuren et al, 1995) e Mara (1996) apresentam as oxigênio suficiente para suprir a demanda de oxigênio. Assim, o critério da taxa de seguintes relações entre a taxa de aplicação superficial Ls e a temperatura T: aplicação superficial é baseado na necessidade de oxigênio para a estabilização da matéria orgânica. A taxa de aplicação superficial relaciona-se, portanto, à atividade 50 das algas. (T = temperatura média do ar, °C) (Mara e Pearson) Tempo de detenção. critério do tempo de detenção diz respeito ao tempo necessário para que os microrganismos procedam à estabilização da matéria orgânica L 350 (1,107 25) bactérias. no reator (lagoa). tempo de detenção relaciona-se, portanto, à atividade das (T = temperatura média do líquido no mês mais frio, °C) (Mara) Para diferentes valores de T, , tem-se as seguintes taxas de aplicação, segundo as equações acima: Ambos os critérios são basicamente empíricos. Para cada um deles existem alguns modelos matemáticos que permitem projetar as lagoas facultativas com base em média do líquido no métodos conceituais, como produção de algas em função da radiação solar, produção T média do an (°C) Ls Ls mês mais frio (°C) de oxigênio por unidade de massa de alga e outros. No entanto, tais métodos fogem 15 142 15 167 ao escopo do presente texto, de abordagem essencialmente simplificada. Além disso, 20 201 20 253 os métodos empíricos têm sido tradicionalmente utilizados em nosso meio, baseados 25 284 25 350 30 403 30 440 na experiência adquirida em diversas regiões do país. a) Taxa de aplicação superficial Não há um valor máximo absoluto de área, a partir do qual o sistema de lagoas facultativas se torna inviável. A desejabilidade de se adotar sistemas mais compactos, A área requerida para a lagoa é calculada em função da taxa de aplicação no caso de se necessitar de grandes lagoas depende essencialmente das condições superficial taxa é expressa em termos da carga de DBO (L, expressa em locais. Projeto de Norma para Lagoas (1991) recomenda que a área de uma lagoa que pode ser tratada por unidade de área da lagoa (A, expressa em ha). facultativa não seja superior a 15 ha. Nestas condições, deve-se dividir o sistema em uma maior número de lagoas. (2.1) b) Tempo de detenção onde: A = área requerida para a lagoa (ha) volume requerido para a lagoa pode ser calculado com base no tempo de L = carga de DBO total (solúvel + particulada) afluente detenção adotado e na vazão de projeto. tempo de detenção é expresso em dias. Lₛ = taxa de aplicação superficial (2.2) A taxa a ser adotada varia com a temperatura local, latitude, exposição solar, altitude e outros. Locais com clima e insolação extremamente favoráveis, como o onde: nordeste do Brasil, permitem a adoção de taxas bem elevadas, eventualmente supe- V = volume requerido para a lagoa (m³) 26 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 27t = tempo de detenção (d) Q = vazão média afluente (m³/d) que H=V/A. No entanto, outros aspectos influem na seleção da profundidade da lagoa (Arceivala, 1981): tempo de detenção requerido varia também com as condições locais, notada- mente a temperatura. Usualmente, adotam-se tempos de detenção variando de: Quadro 2.2 Aspectos relacionados à profundidade da lagoa 15 a 45 dias Profundidade Aspecto As lagoas rasas, com profundidades inferiores a 1,0 m, podem se comportar como Os menores tempos de detenção podem ser adotados em regiões em que a totalmente aeróbias. temperatura do líquido seja mais elevada, alcançando-se com isso uma redução no A área requerida é bem elevada, de forma a cumprir com o requisito do tempo de volume requerido para a lagoa. Além disso, o tempo de detenção requerido é função detenção. A penetração da luz ao longo da profundidade é praticamente total (a energia luminosa da cinética da remoção da DBO e do regime hidráulico da lagoa (ver Item 4). Em tende a se extinguir com a profundidade, mesmo em águas límpidas). locais com esgotos concentrados (baixa vazão per capita de esgotos, e alta concen- A produção de algas é maximizada e pH é usualmente elevado (devido à tração de DBO), o tempo de detenção tende a ser elevado. fotossíntese), acarretando a precipitação de fosfatos (remoção de nutrientes). Rasa A remoção de patogênicos é maior. Os critérios de taxa de aplicação superficial e de tempo de detenção são comple- Devido à baixa profundidade, pode haver desenvolvimento de uma vegetação mentares, ou seja, a área e o volume obtidos devem ser coerentes. tempo de emergente, potencial abrigo para larvas de mosquitos (lagoas com profundidade em torno de 0,60 m ou menos). detenção pode ser utilizado de uma das seguintes duas formas: As lagoas rasas são mais afetadas pelas variações da temperatura ambiente ao longo Adotar t como um parâmetro explícito de projeto. Após ter sido adotado t, do dia, podendo atingir condições anaeróbias em períodos quentes (aumento da taxa calcula-se V (V t.Q). Como a área A já foi determinada com base no critério da de decomposição da matéria orgânica e maior influência da ressolubilização de subprodutos da decomposição anaeróbia no lodo de fundo). taxa de aplicação, pode-se calcular H (H e verificar se o mesmo encontra-se dentro da faixa apresentada no Item Lagoas com profundidades superiores a 1,2 m possibilitam um maior tempo de detenção para a estabilização da matéria orgânica. Adotar um valor para a profundidade H, segundo os critérios do Item Tendo-se A performance da lagoa é mais estável e menos afetada pelas condições ambientais, H e A, calcula-se o volume V (V=A.H) e, em decorrência, o tempo de detenção t produzindo um efluente com uma qualidade mais uniforme ao longo do Há um maior volume de armazenamento do (t V/Q). Com o valor de t, estima-se a concentração efluente de DBO (ver Item A camada inferior permanece em condições anaeróbias, nas quais a taxa de remoção 6). Caso a concentração efluente não satisfaça os requisitos, deve-se aumentar o da DBO e de mortandade de patogênicos é mais reduzida. volume, ou seja, o tempo de detenção. A decomposição anaeróbia obviamente não consome oxigênio dissolvido no meio. Assim, no cálculo do balanço de OD, pode-se levar em consideração a fração da Profunda matéria orgânica sujeita à decomposição anaeróbia. Usualmente, por uma questão de segundo critério é mais prático, por adotar valores objetivos para a área segurança, considera-se a DBO total afluente como vindo a exercer a demanda de superficial e a profundidade. Exemplo 2.3 mostra a interpretação conjunta destes oxigênio, e para tanto a produção fotossintética nas camadas superiores deve ser suficiente. Os subprodutos da decomposição anaeróbia são liberados para as camadas dois critérios. superiores, exercendo ainda alguma demanda de oxigênio. Os riscos de mau cheiro são reduzidos, pelo fato da camada aeróbia oxidar quimica e bioquimicamente o gás c) Profundidade sulfídrico gerado na decomposição anaeróbia. As lagoas mais profundas permitem a expansão futura para a inclusão de aeradores, Como visto, a zona aeróbia da lagoa facultativa depende da penetração da luz transformando-se em lagoas aeradas. solar para suportar a atividade fotossintética. A intensidade da luz incidente sobre o corpo d'água tende a se extinguir exponencialmente à medida que a mesma penetra ao longo da profundidade. Tal fenômeno ocorre mesmo na água destilada, embora Em conclusão, o conhecimento disponível é ainda limitado para se otimizar a em menor magnitude. Quanto maior a cor e a turbidez da água e a própria concentra- profundidade da lagoa, de forma a obter o maior número de benefícios. A tendência ção de algas, mais rapidamente a luz se extingue. Abaixo de uma certa profundidade atual tem sido a de se adotar lagoas não muito rasas, com profundidades H variando na lagoa, o ambiente é impróprio para o crescimento de algas. de: Com base nos critérios de área e volume discutidos acima, a profundidade H da lagoa é um compromisso entre o volume requerido V e a área requerida A, conside- H 1,5 m a 3,0 m 28 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 296. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO Quadro 2.3 Características dos reatores mais frequentemente utilizados na modelagem do tratamento de esgotos por lagoas de estabilização 6.1. A influência do regime hidráulico Modelo Esquema Características A remoção da DBO processa-se segundo uma reação de primeira ordem (na qual hidráulico a taxa de reação é diretamente proporcional à concentração do substrato). Nestas As partículas de fluido entram continuamente em uma condições, o regime hidráulico do reator (lagoa) tem grande influência na eficiência extremidade do tanque, passam através do mesmo e são descarregadas na outra extremidade, na mesma sequência do sistema. em que entraram. fluxo se processa como um êmbolo, sem Fluxo em Muito embora a cinética da remoção da DBO seja a mesma nos diferentes regimes misturas longitudinais. As partículas mantêm a sua identidade e pistão hidráulicos, a concentração efluente de DBO varia. Segundo a cinética de primeira permanecem no tanque por um período igual ao tempo de detenção hidráulico. Este tipo de fluxo é reproduzido em ordem, a taxa de remoção de DBO é tanto mais elevada quanto maior for a concen- tanques longos, com uma elevada relação comprimento- tração de DBO no meio. Tal tem grande implicação na performance do reator, como largura, na qual a dispersão longitudinal é visto a seguir: As partículas que entram no tanque são imediatamente Reatores de fluxo em pistão. Em reatores nos quais se tem uma maior concentra- dispersas em todo corpo do reator. fluxo de entrada e Mistura saída é contínuo. As partículas deixam tanque em ção de DBO (por exemplo, próximo à entrada), a taxa de remoção será mais elevada completa proporção à sua distribuição estatística. A mistura completa neste ponto. Este é o caso, por exemplo, dos reatores de fluxo em pistão, predomi- pode ser obtida em tanques circulares ou quadrados se o nantemente longitudinais (concentração próximo à entrada do reator, diferente da conteúdo do tanque for contínua e uniformemente distribuído. concentração na saída). Os reatores de mistura completa em série são usados para modelar regime hidráulico que existe entre os regimes Reatores de mistura completa. Reatores que, através de uma homogeneização em Reatores ideais de fluxo em pistão e mistura completa. Se a série for todo o tanque, possibilitam uma imediata dispersão do poluente, fazendo com que de composta de uma unidade apenas, sistema reproduz um a sua concentração seja logo igualada à baixa concentração efluente, apresentam mistura reator de mistura completa. Se o sistema apresentar um completa número infinito de reatores em série, fluxo em pistão é uma menor eficiência na remoção da DBO. Este é o caso dos reatores de mistura em série reproduzido. fluxo de entrada e saída é contínuo. Unidades completa, predominantemente quadrados (concentração no reator, próximo à en- em série são também comumente encontradas em lagoas de trada, igual à concentração na saída). estabilização e de maturação. fluxo disperso ou arbitrário é obtido em um sistema qualquer com um grau de mistura intermediário entre os dois Estes dois tipos de reatores idealizados caracterizam os limites, dentro dos quais, extremos de fluxo em pistão e mistura completa. Na Fluxo na prática, todos os reatores se enquadram. No tratamento de esgotos por lagoas de realidade, a maior parte dos reatores apresenta fluxo disperso estabilização podem se destacar os reatores descritos no Quadro 2.3. disperso. Devido à maior dificuldade na sua modelagem, são frequentemente feitas aproximações para um dos modelos hidráulicos ideais. fluxo de entrada e saída é contínuo. A eficiência do sistema na remoção de poluentes segundo a reação de primeira ordem (ex: DBO e coliformes) segue a seguinte relação decrescente de eficiência: fluxo em pistão maior eficiência lagoas em série fluxo disperso mistura completa menor eficiência 30 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 31IBLIOTECA CENTRAL UFLA Figura 2.7 ilustra o comportamento da concentração de DBO em lagoas segundo REMOÇÃO DA DBO SEGUNDO UMA os regimes de fluxo em pistão e mistura completa, assumindo-se uma reação de REAÇÃO DE PRIMEIRA ORDEM remoção de primeira ordem. Um maior detalhamento deste importante tópico pode ESTADO ESTACIONÁRIO ser encontrado no Capítulo "Princípios da cinética de reações e da hidráulica de reatores", Volume 2 da presente série. FLUXO EM PISTÃO Em função dos diversos regimes hidráulicos, tem-se as seguintes fórmulas para a So Se determinação da concentração efluente de DBO solúvel: So Se Concentração afluente Concentração efluente Concentração ao Quadro 2.4 Fórmulas para o cálculo da concentração de DBO solúvel efluente S longo do tempo ao longo do tempo longo do reator (em um dado tempo) Regime hidráulico Esquema Fórmula da concentração So de DBO5 solúvel efluente (S) So Fluxo em pistão -K.d/v S=So.e Se=So.e -K.t Se Se Mistura completa So tempo tempo distância (1 célula) S So Mistura completa S MISTURA COMPLETA (células iguais em série) So Se Se Se Fluxo disperso Concentração afluente Concentração efluente Concentração ao ao longo do tempo ao longo do tempo longo do reator (em um dado tempo) So = concentração de DBO total afluente (mg/l) S = concentração de DBO solúvel efluente (mg/l) K = coeficiente de remoção de DBO (d-1) t = tempo de detenção total (d) So So So n = número de lagoas em série (-) número de dispersão = D/U.L = (adimensional) D = coeficiente de dispersão longitudinal U = velocidade média de percurso no reator (m/d) L = comprimento do percurso longitudinal no reator (m) Se=So/(1+K.t) S=So/(1+K.t) Se Se 6.2. DBO efluente solúvel e particulada tempo tempo distância Deve-se notar que, no Quadro 2.4, S é a DBO efluente solúvel. A DBO afluente Fig. 2.7. Remoção da DBO segundo a cinética de primeira ordem em reatores de fluxo em pistão e mistura So é admitida como a DBO total (solúvel + particulada), devido ao fato dos sólidos completa = concentração de DBO total afluente; S = concentração de DBO solúvel em um determinado ponto ou tempo; Se = concentração de DBO solúvel efluente; t= tempo de detenção hidráulica; d = distância em suspensão orgânicos, responsáveis pela DBO particulada, serem convertidos em horizontal de percurso ao longo do reator; = velocidade horizontal). sólidos dissolvidos, através de enzimas lançadas ao meio pelas próprias bactérias. Assim, em princípio, toda a DBO (solúvel + particulada) estaria disponível para as bactérias. No entanto, a DBO total do efluente é causada por duas fontes: (a) DBO 32 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 33remanescente do tratamento (DBO solúvel) e (b) DBO causada pelos sólidos em 6.3. A remoção de DBO segundo os regimes hidráulicos idealizados suspensão no efluente (DBO particulada). Os sólidos em suspensão no efluente são predominantemente algas, que poderão ou não exercer alguma demanda de oxigênio Como visto no Item 6.1, o regime hidráulico de fluxo em pistão é o mais eficiente no corpo receptor, dependendo das suas condições de sobrevivência no mesmo em termos de remoção da matéria orgânica. No entanto, o regime de mistura completa (Arceivala, 1981; Abdel-Razik, 1991): mais indicado quando se tem despejos sujeitos a uma grande variabilidade de cargas Caso as algas morram, a estabilização da sua massa celular consumirá oxigênio. presença de compostos tóxicos, pelo fato do reator de mistura completa prover uma imediata diluição do afluente no corpo d'água. Os sistemas de fluxo em pistão Se as algas forem consumidas pelo zooplâncton e entrarem na cadeia alimentar, estão também sujeitos a uma elevada demanda de oxigênio próximo à entrada na pode ser vantajoso, no caso de se ter aquacultura (ex: peixes). lagoa, em virtude de se ter o esgoto bruto, sem diluição no corpo do reator. Neste Se as algas continuarem a se multiplicar, elas poderão ter o efeito benéfico de local poderão ocorrer condições anaeróbias. produção de oxigênio. As algas realizam tanto fotossíntese quanto respiração, mas projeto das lagoas poderá fazer um aproveitamento do terreno disponível e da a quantidade de oxigênio produzido pela fotossíntese durante as horas do dia com topografia para se obter a relação mais adequada do comprimento/largura (L/B). luz solar é da ordem de 15 vezes mais que a consumida pela respiração durante as Sistemas com L/B elevado tendem ao fluxo em pistão, enquanto lagoas com L/B 24 horas do dia. próximo a 1,0 (lagoas quadradas) tendem ao regime de mistura completa. Mais Caso o efluente seja usado para irrigação, as algas podem ser também benéficas. frequentemente, a relação L/B das lagoas facultativas se situa em torno de 2a4 (EPA, As algas cianofíceas contribuem para a fixação do nitrogênio, e outras algas, 1983; Abdel-Razik, 1991). Nestas condições, o regime hidráulico encontrado na quando mortas, liberam nutrientes posteriormente utilizados pelas plantas. No realidade é o de fluxo disperso (ver Item 6.4). entanto, concentrações excessivas de algas podem afetar a porosidade do solo. Usualmente tem sido adotado nos dimensionamentos o modelo de mistura completa (para uma ou mais células), devido às seguintes razões: Segundo Mara (1995), os sólidos em suspensão de lagoas facultativas são em Os cálculos com o modelo de mistura completa são os mais simples. torno de 60 a 90% algas. Cada 1 mg de algas gera uma em torno de 0,45 mg. dimensionamento com os cálculos assumindo mistura completa leva a um Desta forma, 1 mg/l de sólidos em suspensão no efluente é capaz de gerar uma posicionamento a favor da segurança, já que o reator de mistura completa é o de (no teste da DBO, e não necessariamente no corpo receptor) na faixa de 0,6x0,45 menor eficiência. 0,3 mg/l a 0,9x0,45 0,4 mg/l. valor do coeficiente de remoção de DBO (K) foi obtido por diversos pesquisa- dores em várias lagoas existentes em função da DBO de entrada e de saída e do tempo 1 mg a 0,4 de detenção. valor de K é sempre calculado em função do modelo hidráulico assumido. Em decorrência, os valores de K reportados na literatura estão associados Devido à incerteza quanto a estes aspectos, uma abordagem prática é a de se regime hidráulico, devendo tal fato ser levado em consideração quando da seleção desconsiderar a DBO das algas, ou dos sólidos em suspensão, no efluente das lagoas do valor a ser adotado para o projeto de uma nova lagoa. A maior parte dos autores facultativas. Assim, a DBO das lagoas facultativas pode ser considerada como sendo assume o regime de mistura completa, mas esta hipótese nem sempre é explicitada apenas a DBO solúvel. De fato, a Comunidade Européia estabeleceu, em 1991, os ao se apresentar os valores de K. Ao se obter o valor de K tendo por base dados seguintes padrões para efluentes de lagoas de estabilização (Mara, 1995): experimentais, deve-se sempre reportar a temperatura, vazão e as principais relações solúvel ≤ 25 mg/l geométricas da lagoa (profundidade, comprimento e largura), além do modelo SS ≤ 150 mg/l hidráulico assumido nos cálculos. Para o caso mais frequente do sistema de mistura completa, tem-se a seguinte faixa de valores usualmente utilizados para dimensionamento (Silva e Mara, 1979; A nossa legislação não faz distinção entre as formas de DBO, considerando como Arceivala, 1981; EPA, 1983) padrão de lançamento os valores de DBO total. A concentração de SS no efluente de lagoas facultativas usualmente atende o padrão estabelecido pela Comunidade Euro- a péia, embora possa haver eventuais períodos com valores superiores ao estipulado. 34 Lagoas de estabilização 35 Lagoas facultativasPara diferentes temperaturas, o valor de K pode ser corrigido através da seguinte equação: Exemplo 2.1 Calcular a concentração de DBO efluente (S) nos seguintes sistemas de lagoas facultativas: (a) uma célula de fluxo em pistão; (b) duas células de (2.3) mistura completa em série; (c) uma célula de mistura completa. Dados: onde: DBO afluente So = 300 mg/l 0,30 d⁻¹ (adotado, para todos os sistemas) = coeficiente de remoção da DBO em uma temperatura do líquido T qualquer Tempo de detenção total: t = 30 dias Temperatura do líquido: 20°C = coeficiente de remoção da DBO na temperatura do líquido de 20°C = coeficiente de temperatura (-). Solução: Utilizando-se as fórmulas do Quadro 2.4, tem-se: Deve-se notar que diferentes valores de Θ são propostos na literatura. Para Modelo DBO solúvel S Eficiência E Fórmula K=0,35, citado pela EPA (1983), deve-se adotar Para K=0,30, citado por hidráulico (mg/l) (%) Silva e Mara (1979), deve-se adotar =1,05. Fluxo em pistão 0,30 ≤1 99,99 ideal (1 célula) No dimensionamento, normalmente se considera a temperatura média do líquido 300 mês mais frio. Yanez (1993) apresenta dados de correlações entre temperatura do S= Mistura completa ar e do líquido, em algumas lagoas no Brasil, Peru e Chile. Interpretando-se as 10 97 ideal (2 células) correlações apresentadas, obtém-se as seguintes faixas de valores: Mistura completa 300 30 90 ideal (1 célula) Quadro 2.5 Faixas de temperaturas do líquido, em função da temperatura do ar Eficiência: E Temperatura do Temperatura do líquido média (°C) Temperatura do líquido na superfície (°C) (°C) Comentários: 17 Maior eficiência: fluxo em pistão 20 25 28 Células em série são mais eficientes do que uma célula única 23 25 - 26 27 - 31 26 27 - 28 Os resultados são obtidos admitindo-se que as lagoas comportam-se como Nota: faixas extraídas de gráficos apresentados por Yanez (1993) reatores ideais 6.4. A remoção de DBO segundo regime hidráulico de fluxo disperso Ao se projetar lagoas, ou estações de tratamento de esgotos, deve-se ter sempre em mente que a incerteza no dimensionamento não está apenas nos coeficientes do Na realidade, o regime hidráulico em uma lagoa de estabilização não segue modelo, mas também em todos os dados de entrada, a começar pela população e pela exatamente os modelos ideais dos reatores de mistura completa ou fluxo em pistão, vazão de projeto. Os dimensionamentos devem ter sempre esta incerteza em perspec- mas sim um modelo intermediário. Os modelos de mistura completa e fluxo em pistão tiva, de forma a não exagerar na sofisticação na obtenção de certos coeficientes, constituem um envelope, dentro do qual se situam todos os reatores na realidade. esquecendo-se de analisar a confiabilidade de outros dados possivelmente de maior reator de mistura completa representa um extremo (dispersão longitudinal infinita), influência (von Sperling, 1995a). enquanto o reator de fluxo em pistão representa outro extremo (dispersão longi- Exemplo 2.1 ilustra a determinação das concentrações efluentes de DBO e o tudinal nula). Dentro destes extremos situam-se os reatores de fluxo disperso, que adotado. cálculo da eficiência resultante, para um dado tempo de detenção e um valor de K compreendem todas as lagoas encontradas na prática. Por esta razão, é importante o conhecimento do modelo de fluxo disperso, que pode ser utilizado como uma melhor aproximação para projeto de lagoas de estabilização. 36 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 37No entanto, a modelagem de uma lagoa segundo fluxo disperso é mais compli- cada, pelo fato de se necessitar de dois parâmetros (coeficiente de remoção da DBO número de dispersão (-) e número de dispersão), ao contrário dos modelos anteriores, em que se necessita do coeficiente de dispersão longitudinal (m²/d) conhecimento apenas do coeficiente de remoção da DBO. velocidade média de percurso no reator (m/d) valor do coeficiente de remoção de DBO (K) pode ser obtido através de uma comprimento do percurso longitudinal no reator (m) das seguintes relações empíricas, obtidas em estudos de lagoas modeladas segundo o regime de fluxo disperso: Quando d tende a infinito, o reator tende ao regime de mistura completa. Por Arceivala (1981) fórmula original modificada pelo autor, expressando a taxa de autro lado, quando d tende a zero, reator tende ao regime de fluxo em pistão. aplicação superficial em termos de Para o cálculo de d, necessita-se determinar o coeficiente de dispersão D. Em reatores existentes, D pode ser obtido experimentalmente por meio de testes com 0,146 (2.4) traçadores radioativos. No caso do projeto de novas instalações, deve-se estimar o futuro valor de d segundo algum critério. A literatura apresenta algumas relações Vidal (1983) fórmula original simplificada pelo autor, excluindo-se o efeito da empíricas, que podem ser utilizadas para esta estimativa preliminar: temperatura e do tempo de detenção (praticamente desprezíveis na formulação original): Polprasert e Batharai (1983): (2.7) (2.5) Deve-se destacar que o coeficiente de temperatura (Θ) para a relação de Arceivala é 1,035, diferentemente dos coeficientes expressos no Item 6.3. Com relação à Agunwamba et al (1992), fórmula original simplificada pelo autor: equação de Vidal, a correção para a temperatura não foi expressa na forma usual de -0,410 -(0,981+1,385.H/B) (2.8) Arrhenius, mas através de análise da fórmula original obtém-se um valor de inferior H H 0,102 a 1,035. 4.L.B.H. L Para diferentes taxas de aplicação superficial, o Quadro 2.6 apresenta os valores de K segundo Arceivala e Vidal (para uma temperatura do líquido igual a 20°C, e Ls Yanez (1993) dentro da faixa de validade das equações). Observa-se que os valores de K obtidos pelas duas fórmulas são bastante semelhantes. (L/B) (2.9) Quadro 2.6 Valores do coeficiente de remoção da DBO (K) em função da taxa de aplicação superficial onde: L = comprimento da lagoa (m) Equação Ls 120 140 160 180 200 = largura da lagoa (m) Arceivala (1981) K (d⁻¹) 0,128 0,137 0,145 0,152 0,158 H = profundidade da lagoa (m) Vidal (1983) K (d⁻¹) 0,116 0,120 0,124 0,128 0,132 = tempo de detenção (d) V = viscosidade cinemática da água (m²/d), função da temperatura: Temperatura da água (°C) Viscosidade cinemática (m²/d) outro parâmetro a ser determinado é o número de dispersão (d), o qual pode ser 10 0,113 15 0,098 obtido através da Equação 2.6. 20 0,087 25 0,077 d D/U.L D.t/L² 30 0,069 (2.6) Fonte: Metcalf & Eddy (1991) 38 39 Lagoas de estabilização Lagoas facultativasEquação 2.8 foi reportada como dando um melhor ajuste aos dados experimen- Com relação ao coeficiente de remoção K, o seu valor deveria ser o mesmo, tanto tais que a Equação 2.7 (Polprasert e Agarwalla, 1994). Quadro 2.7 apresenta faixas de valores médios de d obtidos através da utilização das Equações 2.8 e 2.9. As para 0 regime de mistura completa, quanto para o regime de fluxo disperso, já que K a velocidade de decomposição da matéria orgânica, independente do reator. equações de Agunwamba e Yanez fornecem resultados similares, para lagoas com No entanto, na maioria das vezes o valor de K é estimado assumindo-se o modelo de comprimentos superiores a 100 m. A Figura 2.8 apresenta os valores de d calculados mistura completa, conhecendo-se as concentrações de DBO na entrada e na saída segundo o modelo de Agunwamba (Equação 2.8), para um tempo de detenção de 30 0 tempo de detenção (t). Através de rearranjo da equação de S para a mistura d, uma profundidade de 2,0 m e uma temperatura do líquido de 20°C, e segundo o completa (Quadro 2.4), pode-se obter o valor de K. Neste caso, o valor de K é modelo de Yanez (1993), para diversos valores de L e L/B. Observa-se a grande superestimado, pois, na realidade, o regime hidráulico real não é a mistura completa similaridade entre os valores de d obtidos segundo ambas as formulações, especial- ideal, mas o fluxo disperso. Mesmo para uma lagoa quadrada, o número de dispersão mente para lagoas maiores que 100m de comprimento. Tal fato sugere que, quando igual a 1,0 (segundo Yanez, 1993), afastando-se bastante dos valores mais se necessitar de simplicidade nos cálculos, e quando não houver ainda uma prévia elevados que caracterizariam a mistura completa ideal. definição de L e H, pode-se utilizar a equação mais simples, proposta por Yanez. Quadro 2.8 apresenta a correspondência entre os valores de K calculados Quadro 2.7 Faixas de valores do número de dispersão, obtidos através da utilização da segundo os dois regimes hidráulicos, para diferentes valores de d (ou da relação L/B) equação de Agunwamba et al (1992) e Yanez (1993) do par adimensional K.t (para fluxo disperso). Por exemplo, numa lagoa com relação L/B 2 (d = 0,5), tempo de detenção d, K (fluxo disperso) 0,15 d⁻¹, tem-se: Modelo Comprimento Profundidade Número de dispersão (m) (m) 27x0,15 ≡ 4. A relação K (mistura completa) / K (fluxo disperso) é, segundo o L/B L/B 5 a 10 1,5 Quadro 2.8, para K.t 4 e d 0,5, igual a 2,21. Isto quer dizer que, caso o coeficiente LCom os valores de d e K (fluxo disperso) pode-se estimar a eficiência da lagoa na Exemplo 2.2 remoção de DBO, segundo as fórmulas apresentadas no Quadro 2.4, para reatores de fluxo disperso. Nestas equações, quando se tem d=0, a fórmula produz resultados Calcular a concentração de DBO efluente (S) para uma lagoa com os praticamente iguais aos da equação para fluxo em pistão. Similarmente, quando d = 8, seguintes dados: os resultados são bem próximos aos da mistura completa. Exemplo 2.2 ilustra um DBO afluente So 300 mg/l cálculo para uma lagoa de relações dimensionais convencionais. Coeficiente de remoção: = 0,15 (adotado, dentro da faixa média do Para facilitar a utilização destes conceitos dispensando as fórmulas do fluxo Quadro 2.6) disperso, apresenta-se um gráfico, que plota o produto adimensional K.t versus a Tempo de detenção: = 30 d eficiência de remoção da DBO (ver Figura 2.9). Geometria da lagoa: L/B = 2 Solução: a) Estimativa do Número de Dispersão d EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO DA DBO Considerando-se a relação L/B = 2, número de dispersão situa-se entre 0,4 REATOR DE FLUXO DISPERSO e 0,5, segundo as fórmulas de Agunwamba et al e de Yanez (ver Quadro 2.7). 100 Adotar, presente exemplo, valor de 0,4. d=0 95 d=0,1 d=0,5 b) Cálculo da concentração efluente S d=1,0 Segundo as fórmulas expressas no Quadro 2.4 para reatores de fluxo disperso: 90 d=4,0 85 EFICIÊNCIA (%) fluxo em pistão 80 mistura completa 75 300 70 65 Observa-se que este valor é intermediário entre os obtidos Exemplo 2.1 para uma célula de mistura completa mg/l) e 2 células em série (S=30 60 0 1 2 3 mg/l). 4 5 6 7 8 9 10 K.t As mesmas considerações efetuadas acima sobre a conversão do coeficiente K (fluxo disperso) para K (mistura completa) poderiam ter sido efetuadas. Fig. 2.9. Remoção de um composto segundo uma reação de primeira ordem (ex: DBO), num reator de modelo hidráulico de fluxo disperso c) Cálculo da eficiência na remoção da DBO 100.(300-22)/300 93% mesmo valor poderia ter sido obtido através da Figura 2.9, para d 0,4 e K.t 0,15x30 4,5. 42 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 437. ARRANJOS DE LAGOAS sumentar a eficiência do sistema em períodos de menor carga de DBO (compatível Como visto, sistema de lagoas facultativas pode ser projetado para ter mais de área da primeira lagoa). uma lagoa, que confere uma maior flexibilidade operacional. Ao se analisar a divisão em um maior número de unidades, deve-se levar em consideração os seguintes aspectos: OPERAÇÃO EM PARALELO EM SÉRIE Células em série. Um sistema de lagoas em série, com um determinado tempo de detenção total, possui uma maior eficiência do que uma lagoa única, com o mesmo tempo de detenção total. A implicação de tal é que, para uma mesma qualidade do efluente, pode-se ter uma menor área ocupada com um sistema de lagoas em série. Células em paralelo. Um sistema de lagoas em paralelo possui a mesma eficiência que uma lagoa única. No entanto, o sistema possui uma maior flexibilidade e garantia, no caso de se ter de interromper fluxo para uma lagoa, devido a algum problema ou eventual manutenção (embora esta deva ser rara). Desta forma, funcionamento do sistema não será interrompido. Sobrecarga na primeira célula. Caso haja lagoas em série, deve-se levar em OPERAÇÃO EM SÉRIE consideração o fato de que a primeira célula irá trabalhar sobrecarregada, por receber toda a carga afluente, com a possibilidade de se ter condições de anaero- biose. projeto deverá avaliar o balanço de oxigênio nesta célula (produção e consumo), ou verificar se a taxa de aplicação superficial não é excessiva na primeira célula. Para contornar tal situação, células de diferentes tamanhos podem ser adotadas, com a primeira unidade possuindo a maior área. Este aspecto de sobre- carga é bastante importante em lagoas primárias (que recebem esgoto bruto). Divisões internas. A subdivisão de uma única lagoa em um maior número de lagoas implica na necessidade de taludes intermediários. Fig. 2.10. Arranjos de lagoas em (a) série e paralelo e (b) em série Fluxo em pistão. Teoricamente, um número infinito de células em série correspon- de ao fluxo em pistão, o qual é o sistema mais eficiente na remoção da DBO. Assim, ao invés de se ter um elevado número de subdivisões, pode-se ter uma lagoa com 8. ACÚMULO DE LODO um percurso predominantemente longitudinal, conseguido através de uma série de curvas em U, formando um zig-zag. Neste caso, deve-se levar em consideração os lodo acumulado no fundo da lagoa é resultado dos sólidos em suspensão do aspectos mencionados acima, relativos à sobrecarga no trecho inicial, e à necessi- esgoto bruto, incluindo areia, mais microrganismos sedimentados. A fração orgânica dade de taludes (ou divisões internas, como lonas). fluxo em pistão é mais do lodo é estabilizada anaerobiamente, sendo convertida em água e gases. Em assim utilizado para o polimento do efluente, como em lagoas de maturação. Para lagoas sendo, volume acumulado é inferior ao volume sedimentado. facultativas, Yanez (1993) sugere uma relação comprimento/largura de no máximo A taxa de acúmulo média de lodo em lagoas facultativas é da ordem de apenas 8:1. No entanto, acredita-se que relações menores, da ordem de 2 a 4 podem ser 0,03 a 0,08 m³/hab.ano (Arceivala, 1981). Silva (1993) observou, através de medições mais seguras do ponto de vista da sobrecarga orgânica. em duas lagoas facultativas no Estado de São Paulo, uma elevação média em torno de 1,5 a 2,3 cm/ano. Como consequência desta baixa taxa de acúmulo, a ocupação Um possível arranjo é o de se ter 2 linhas em paralelo, com cada linha tendo pelo de volume da lagoa é baixa. A menos que a lagoa esteja com uma alta carga, o lodo menos 2 células (total de 4 células). As 2 primeiras células poderiam ser maiores que acumulará por diversos anos, sem necessidade de qualquer remoção. as subsequentes, de forma a garantir uma taxa de aplicação superficial satisfatória nas Do lodo acumulado, apenas em torno de 5% é representado pela areia. Apesar unidades de montante. As ligações entre as lagoas podem ser ainda feitas de forma a disso, pode ser necessária a remoção da areia, já que esta tende a se concentrar permitir uma flexibilidade adicional, através da operação das 4 células em série, para próximo às entradas, e na primeira célula de um sistema em série. 44 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 45A estabilização anaeróbia do lodo de fundo pode gerar subprodutos solúveis não como biofiltros aerados (Oliveira e Gonçalves, 1995). A inclusão de estabilizados os quais, ao serem reintroduzidos na massa líquida superior, são um destes processos deve naturalmente encontrar uma justificativa do ponto responsáveis por uma nova carga de DBO. Tal ocorre em maior taxa nos períodos das necessidades do corpo receptor (e não apenas para resguardar padões de mais quentes. Assim, os meses de verão não são necessariamente os meses de melhor por implicar na elevação dos custos e da complexidade do tratamento. desempenho da lagoa (Abdel-Razik, 1991). 0 impacto deste fenômeno será maior ou sistemas de pós-tratamento encontram uma maior aplicabilidade para a me- menor, dependendo da magnitude da carga de DBO reintroduzida, comparada à carga do efluente de lagoas já existentes. Possivelmente, em novos projetos, caso de DBO afluente. necessidade de um efluente de elevadíssima qualidade em termos de e nutrientes, outros sistemas de tratamento devam ser adotados desde o invés da combinação de lagoas facultativas com pós-tratamento. 9. CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO A utilização de lagoas com aguapés tem sido objeto de considerável polêmica. interpretação da cor predominante na lagoa pode esclarecer sobre as condições aguapés, por serem vegetais, são seres autótrofos, ou seja, não utilizam a matéria de seu funcionamento (ver Quadro 2.9). Alguns destes aspectos são revistos no do esgoto. No entanto, o seu sistema radicular permite o desenvolvimento Capítulo 10, relativo a manutenção e operação. uma biomassa capaz de estabilizar parte da matéria orgânica, além de adsorver poluentes, como metais pesados. sistema radicular contribui ainda para uma maior sedimentação dos sólidos em suspensão. Embora não haja um consenso sobre Quadro 2.9 Vinculação entre a cor da lagoa facultativa e a característica de funcionamento assunto, a maior parte das pessoas envolvidas diretamente com a operação destas (CESTESB, 1989) lagoas comentam que os problemas suplantam os benefícios. Os aguapés crescem rápido, e é necessária uma infra-estrutura de remoção dos aguapés compa- Cor da lagoa Interpretação lível com a sua taxa de crescimento, de forma a impedir que as plantas mortas se Verde escura e Presença pouco importante de outros microrganismos no efluente parcialmente dirijam para o fundo da lagoa, onde, ao sofrerem estabilização anaeróbia, possibilitam Altos valores de pH e OD transparente Lagoa em boas condições ressolubilização dos poluentes removidos. Verde amarelada ou Crescimento de rotíferos, protozoários ou crustáceos, que se alimentam das excessivamente algas, podendo causar a sua destruição em poucos dias clara 11. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO Caso as condições persistam, haverá decréscimo do OD e eventual mau cheiro Sobrecarga de matéria orgânica e/ou tempo de detenção curto Acinzentada Fermentação na camada de lodo incompleta A lagoa deve ser posta fora de operação Exemplo 2.3 A lagoa está em processo de autofloculação, decorrente da elevação do pH e da temperatura Dimensionar uma lagoa facultativa, com base nos seguintes dados: Verde leitosa Precipitação de hidróxidos de magnésio e de cálcio, arrastando consigo algas e outros microrganismos População = 20.000 hab Excessiva proliferação de algas azuis Vazão afluente = 3.000 Azul esverdeada A floração de certas espécies forma natas que se decompõem facilmente, DBO afluente: So = 350 mg/l provocando a exalação de maus odores, reduzindo a penetração da luz e, em Temperatura: T (líquido mês mais frio) consequência, diminuindo a produção de oxigênio Solução: a) Cálculo da carga afluente de 10. PÓS-TRATAMENTO DE EFLUENTES DE LAGOAS 350 3000 Há várias possíves formas de se melhorar a qualidade do efluente de lagoas, carga = concentração vazão = 1.050 kg/d 1000 g/kg visando principalmente uma remoção dos sólidos em suspensão (algas) efluentes, citando-se, entre outros: filtros de areia intermitentes, filtros de pedra, micropeneiras, b) doção da taxa de aplicação superficial processos de coagulação e clarificação, flotação (EPA, 1983) e processos mais Ls 180 (adotada) 46 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 47c) Cálculo da área requerida Deve-se lembrar que a DBO particulada é detectada teste da DBO, mas Ls L 180 1.050 5,8 ha 58.000 m² poderá não ser exercida corpo receptor, dependendo das condições de sobrevivência das algas. d) Adoção de um valor para a profundidade j) DBO total efluente H 2,0 m (adotado) DBO total efluente = DBO solúvel + DBO particulada DBO efluente = 24 + 35 59 mg/l e) Cálculo do volume resultante Cálculo da eficiência na remoção da DBO V 58.000 m² 2,0 m 116.000 m³ So 350-59 f) Cálculo do tempo de detenção resultante E 100 100 83% So 350 V 116.000 = m) Dimensões da lagoa Q 3.000 As dimensões da lagoa são função do terreno e da topografia locais. Para g) Adoção de um valor para coeficiente de remoção de DBO (K) efeito deste exemplo, serão adotados valores arbitrários. Caso sejam adotadas 2 lagoas em paralelo, e uma relação comprimento/lar- Regime de mistura completa, à gura (L/B) igual a 2,5 em cada lagoa, ter-se-á: Área de 1 lagoa = 58.000/2 = 29.000 Correção para a temperatura de L.B (2,5.B).B 25 (T-20) = 1,05(23-20) 1600 29.000 -> 107,7 m B h) Estimativa da DBO solúvel efluente 2,5.B 2,5x107,7 m = 269,3 m Utilizando-se modelo de mistura completa (admitindo-se uma célula não Adotar valores arredondados para as dimensões de cada lagoa (valores a predominantemente longitudinal), tem-se: meia profundidade): Comprimento: 269 m So 350 S Largura: 108 m Profundidade H = 2,0 m Nota: caso houvesse sido adotado modelo de fluxo disperso, com as Número de lagoas: 2 dimensões L,B e H determinadas Item conjuntamente com as equações n) Área total requerida para todo sistema do Item 2.6 (Quadro 2.4, Equações 2.8 ou 2.9, K=0,15 d¹ para 20°C, 1,035), ter-se-ia: A área total requerida para as lagoas, incluindo os taludes e área de (segundo Eq. 2.8) ou d 0,37 (segundo Eq. 2.9) influência, é cerca de 25% a 33% maior do que a área líquida calculada a S 12 mg/l meia altura (Arceivala, 1981). Assim, i) Estimativa da DBO particulada efluente Atotal 1,3 Alíquida = 75.400 m² (7,5ha) Admitindo-se uma concentração de SS efluente igual a 100 mg/l, e conside- Área per capita = 20.000 75.400 hab 3,8 rando-se que cada 1 mgSS/l implica numa DBO5 em torno de 0,35 mg/l (ver Item 2.6.2), tem-se: cumulação de lodo DBO5 particulada = 0,35 mgDBO5/mgSS 100 mgDBO5/l 35 mgDBO5/l A cumulação anual = 0,05 20.000 hab 1.000 m³/ano 48 Lagoas de estabilização Lagoas facultativas 49Espessura em 1 ano: CAPÍTULO 3 Espessura = 1.000 1 ano 0,017 m/ano = 1,7 58.000 Sistema de lagoas anaeróbias Espessura em 20 anos de operação: seguidas por lagoas facultativas Espessura: 1,7 cm/ano 20 anos = 34 em 20 anos A acumulação de lodo pode ser considerada desprezível, face à profundidade de 2,0 p) Arranjo do sistema 1. INTRODUÇÃO LAGOAS FACULTATIVAS lagoas anaeróbias constituem-se em uma forma alternativa de tratamento, onde existência de condições estritamente anaeróbias é essencial. Tal é alcançado através 269 m do lançamento de uma grande carga de DBO por unidade de volume da lagoa, fazendo que a taxa de consumo de oxigênio seja várias vezes superior à taxa de produção. No balanço de oxigênio, a produção pela fotossíntese e pela reaeração atmosféricas 108 m neste caso, desprezíveis. Lagoa 1 As lagoas anaeróbias têm sido utilizadas para o tratamento de esgotos domésticos despejos industriais predominantemente orgânicos, com altos teores de DBO, como laticínios, bebidas etc. A estabilização em condições anaeróbias é lenta, pelo fato das bactérias anaeró- se reproduzirem numa vagarosa taxa. Isto, por seu lado, é advindo de que as Lagoa 2 108 m reações anaeróbias geram menos energia do que as reações aeróbias de estabilização da matéria orgânica. A temperatura do meio tem uma grande influência nas taxas de reprodução e estabilização, o que faz com que locais de clima favorável (temperatura elevada), como no Brasil, se tornem propícios a este tipo de lagoas. As lagoas anaeróbias são usualmente profundas, da ordem de 4 m a 5 m. A profundidade é importante, no sentido de reduzir a possibilidade da penetração do oxigênio produzido na superfície para as demais camadas. Pelo fato das lagoas serem mais profundas, a área requerida é correspondentemente menor. As lagoas anaeróbias não requerem qualquer equipamento especial e têm um consumo de energia praticamente desprezível. A eficiência de remoção de DBO nas lagoas anaeróbias é da ordem de 50% a 60%. A DBO efluente é ainda elevada, implicando na necessidade de uma unidade posterior de tratamento. As unidades mais utilizadas para tal são as lagoas facultativas, compondo o sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas, também denominadas de sistema australiano. A remoção de DBO na lagoa anaeróbia proporciona uma substancial economia de área, fazendo com que requisito de área total (lagoa anaeróbia + facultativa) seja em torno de 2/3 do requisito de uma lagoa facultativa única. 50 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas 51existência de uma etapa anaeróbia é sempre uma causa de preocupação, devido à possibilidade da geração de maus odores. Caso sistema esteja bem equilibrado, a temperatura do líquido adequada (acima de 15°C) geração de mau cheiro não deve ocorrer, mas eventuais problemas operacionais pH adequado (próximo de 7) podem conduzir à liberação de gás sulfídrico, responsável por odores fétidos. Por essa A atividade anaeróbia afeta a natureza dos sólidos, de tal forma que, na lagoa razão, sistema australiano é normalmente localizado onde é possível haver um facultativa, eles apresentam uma menor tendência à fermentação e flutuação, além grande afastamento das residências (durante todo o horizonte de operação lagoas). de se decomporem mais facilmente. 3. CRITÉRIOS DE PROJETO PARA AS LAGOAS ANAERÓBIAS SISTEMA: LAGOA ANAERÓBIA LAGOA FACULTATIVA CORPO Os principais parâmetros de projeto das lagoas anaeróbias são: RECEPTOR GRADE DESARENADOR MEDIDOR Tempo de detenção VAZÃO LAGOA ANAERÓBIA LAGOA FACULTATIVA Taxa de aplicação volumétrica critério do tempo de detenção baseia-se no tempo necessário para a reprodução fase fase sólida das bactérias anaeróbias. critério da taxa de aplicação volumétrica é estabelecido sólida em função da necessidade de um determinado volume da lagoa anaeróbia para a Fig. 3.1. Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas estabilização da carga de DBO aplicada. a) Tempo de detenção 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO tempo de detenção hidráulica normalmente situa-se na seguinte faixa: A estabilização anaeróbia se desenvolve em duas etapas: liquefação e formação de ácidos (através das bactérias acidogênicas) formação de metano (atràvés das bactérias metanogênicas) Com tempos inferiores a 3,0 dias, poderá ocorrer que a taxa de saída das bactérias metanogênicas com o efluente da lagoa (fatores hidráulicos) seja inferior à sua própria Na primeira fase não há remoção de DBO, apenas a conversão da matéria orgânica taxa de reprodução, a qual é lenta (fatores biológicos). Nestas condições, não seria a outras formas (ácidos). É na segunda etapa que a DBO é removida, com a matéria possível a manutenção de uma população bacteriana estável. Além da eficiência da orgânica (ácidos produzidos na primeira etapa) sendo convertida a metano, gás lagoa anaeróbia se reduzir, ocorreria o aspecto mais grave do desequilíbrio entre a carbônico e água, principalmente. carbono é removido do meio líquido pelo fato fase acidogênica e a metanogênica. A consequência seria o acúmulo de ácidos no do metano escapar para a atmosfera. meio, com geração de maus odores, pelo fato de haver poucas bactérias metanogêni- As bactérias metanogênicas são bastante sensíveis às condições ambientais. Caso cas para dar continuidade à conversão dos ácidos. a sua taxa de reprodução se reduza, haverá o acúmulo dos ácidos formados na primeira Deve-se destacar, no entanto, que há uma tendência recente de diminuir os tempos etapa, com as seguintes consequências: de detenção nas lagoas anaeróbias, para em torno de 2 dias e, eventualmente 1 dia. interrupção da remoção da DBO Tal pode ser alcançado, caso o tempo de retenção da biomassa possa ser aumentado, geração de maus odores, pois os ácidos são extremamente fétidos. caso seja garantido um íntimo contato biomassa-esgoto. Estas condições podem ser através de uma distribuição do afluente pelo fundo da lagoa, em vários É fundamental, portanto, que se garanta adequado equilíbrio entre as duas comu- pontos, buscando se aproximar a um reator anaeróbio de manta de lodo. nidades de bactérias, garantindo a consecução de ambas as etapas. Para adequado Com tempos de detenção superiores a 6 dias, a lagoa anaeróbia poderia se desenvolvimento das bactérias metanogênicas, deve-se ter as seguintes condições: comportar como uma lagoa facultativa. Tal é indesejável, pois a presença de oxigênio ausência de oxigênio dissolvido (as bactérias metanogênicas são anaeróbias estri- é fatal para as bactérias metanogênicas. As lagoas anaeróbias têm de funcionar como tas, não sobrevivendo na presença de oxigênio dissolvido) lagoas anaeróbias estritas, não podendo oscilar entre condições anaeróbias, facul- tativas e aeróbias. 52 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas 53Projeto de Norma para Lagoas (1991) em elaboração propõe os tempos de 0 volume final a ser adotado para a lagoa anaeróbia é um compromisso entre os detenção apresentados no Quadro 3.1. dois critérios (tempo de detenção e taxa volumétrica), devendo, tanto quanto possível, satisfazer a ambos. Quadro 3.1 Tempos de detenção requeridos para a lagoa anaeróbia e) Profundidade Temperatura média da lagoa no Tempo de detenção (d) mês mais frio (°C) Início de plano A profundidade das lagoas anaeróbias é elevada, para garantir a predominância Final de plano das condições anaeróbias, evitando que a lagoa trabalhe como facultativa. Valores 20 ≥ 4 ≤6 > 20 usualmente adotados encontram-se na faixa de: ≥ 3 ≤5 H 4,0 m a 5,0 m cálculo do volume requerido é feito através de: Quando não houver remoção prévia da areia, a lagoa anaeróbia deve ser dotada de profundidade adicional de pelo menos 0,5 m, junto à entrada, estendendo-se por (3.1) pelo menos 25% da área da lagoa (Projeto de Norma para Lagoas, 1991). No entanto, que a inclusão de unidades de desarenação é benéfica, por evitar proble- onde: mas, e por serem de operação bastante simples. V = volume requerido para a lagoa (m³) t = tempo de detenção (d) Q = vazão média afluente (m³/d) 4. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO DA LAGOA ANAERÓBIA b) Taxa de aplicação volumétrica Embora haja modelos matemáticos que possibilitem uma estimativa da concen- A taxa de aplicação volumétrica a ser adotada é função da temperatura. Locais tração efluente de DBO, as lagoas anaeróbias têm sido dimensionadas principalmente mais quentes permitem uma maior taxa (menor volume). A consideração da carga segundo critérios empíricos. volumétrica é importante, pois certos despejos, como os industriais, podem variar Projeto de Norma para Lagoas em elaboração (1991) propõe as seguintes bastante a relação entre a vazão e a concentração de DBO (carga = concentração eficiências de remoção, caso as lagoas anaeróbias tenham sido dimensionadas de vazão). Assim, apenas o critério do tempo de detenção é insuficiente. acordo com os critérios acima: As taxas mais usualmente adotadas em nosso meio estão na faixa de: 0,1 a 0,3 Quadro 3.2 Eficiências de remoção da DBO para lagoas anaeróbias Temperatura média da lagoa no mês mais frio (°C) Eficiência na remoção de DBO (%) volume requerido é obtido pela equação: 20 > 20 (3.2) onde: Uma vez estimada a eficiência de remoção (E), calcula-se a concentração efluente V = volume requerido para a lagoa (m³) (S) da lagoa anaeróbia utilizando-se a fórmula: L = carga de DBO total afluente (solúvel + particulada) = taxa de aplicação volumétrica (3.3) 54 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas 555. DIMENSIONAMENTO DAS LAGOAS FACULTATIVAS 8. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO As lagoas facultativas podem ser dimensionadas segundo os mesmos critérios de taxa de aplicação superficial descritos no Capítulo 2, Item 5. tempo de detenção pode ser agora menor, devido à prévia remoção da DBO na lagoa anaeróbia. Exemplo 3.1 Para dimensionamento segundo a taxa de aplicação superficial, tem-se que a Dimensionar um sistema de lagoa anaeróbia lagoa facultativa com concentração e a carga de DBO afluentes à lagoa facultativa são as mesmas efluentes mesmos dados do Exemplo 2.1, ou seja: da lagoa anaeróbia. A estimativa do efluente da lagoa facultativa pode ser efetuada segundo a População = 20.000 hab metodologia descrita no Capítulo 2, Item 6. Deve-se atentar para o fato de que o Vazão afluente = 3.000 coeficiente de remoção K será neste caso um pouco menor, devido à matéria orgânica DBO afluente: So = 350 mg/l de estabilização mais fácil ter sido removida na lagoa anaeróbia. remanescente da Temperatura: T = (líquido) matéria orgânica é de degradação mais difícil, implicando em taxas de estabilização Solução: mais lentas. a) Carga afluente de DBO 6. ACÚMULO DE LODO NAS LAGOAS ANAERÓBIAS Pelo Exemplo 2.3: As considerações aqui são similares às efetuadas no caso das lagoas facultativas L 1.050 (Item 2.8). A taxa de acúmulo é da ordem de 0,03 a 0,04 m³/hab.ano (Mendonça, 1. Dimensionamento da lagoa anaeróbia: 1990). Outros dados disponíveis são de uma taxa de acúmulo de 2,2 cm/ano (Silva, 1993, lagoa anaeróbia de Mairiporã-SP) e de 5,7 cm/ano (CETESB, 1989, lagoa b) Adoção da taxa de aplicação volumétrica anaeróbia de Tatuí-SP). Estes dois últimos valores correspondem a uma taxa de 0,1 (adotada) acumulação inferior à reportada de 0,03 a 0,04 m³/hab.ano (ver Exemplo 3.1). As lagoas devem ser limpas quando a camada de lodo atingir aproximadamente a metade c) Cálculo do volume requerido da altura útil. carga L 1.050 kgDBO/d volume = 10.500 = carga volumétrica 0,1 d 7. RECIRCULAÇÃO DO EFLUENTE FINAL Uma medida para o controle da formação de maus odores é o da recirculação do d) Verificação do tempo de detenção efluente das lagoas facultativas (ou de maturação, caso existentes) para a lagoa anaeróbia. efluente possuirá uma temperatura mais elevada, tendendo a permanecer V 10.500 m³ 3,5 d OK! Q 3.000 na superfície da lagoa anaeróbia. Os gases causadores de mau cheiro, como o são oxidados neste camada superficial aeróbia, não mais gerando problemas. A razão e) Determinação da área requerida de recirculação (vazão recirculada / vazão afluente) é da ordem de 1/6. Profundidade H 4,5 m (adotada) volume V 10.500 m³ Área A 2.333 m² profundidade 4,5 Adotar 2 lagoas Área de cada lagoa: 2.333/2 1.167 m² Possíveis dimensões de cada lagoa: 34 m x 34 m 56 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas 57f) Concentração de DBO efluente Adoção de um valor para a profundidade Eficiência de remoção da DBO: E=50% (assumida; valor a favor da segu- H = 2,0 m (adotado) rança) Cálculo do volume resultante E 100 50 = 100 350 mg/l V 33.000 m² 2,0 66.000 m³ g) Acúmulo de lodo na lagoa anaeróbia m) Cálculo do tempo de detenção resultante Adotando-se uma taxa de acúmulo de 0,01 m³/hab.ano, intermediária entre V 66.000 m³ 22,0 d os valores apresentados por Mendonça, Silva e CETESB (ver Item 6), tem-se: Q 3.000 Acumulação anual = 0,01 m³/hab 20.000 hab 200 ano n) Adoção de um valor para coeficiente de remoção de DBO (K) Espessura em 1 ano: Regime de mistura completa, a 2 (adotado, cumprindo critério de ser inferior ao K de uma lagoa Espessura 200 1 ano 0,09 m/ano facultativa única ver Exemplo 2.3, onde foi adotado como 0,30 2.333 m² Correção para a temperatura de Espessura em 20 anos de operação: Espessura: 0,09 m/ano 20 anos = 1,8 m em 20 anos lodo possivelmente necessitará ser removido neste horizonte de 20 anos, Estimativa da DBO solúvel efluente que coincide aproximadamente com horizonte do próprio projeto. Utilizando-se modelo de mistura completa, admitindo-se uma célula não 2. Dimensionamento da lagoa facultativa: predominantemente longitudinal, tem-se: g) Carga afluente à lagoa facultativa So 175 S 29 mg/l 22,0 carga efluente da lagoa anaeróbia é a carga afluente à lagoa facultativa. Com a eficiência de remoção de 50%, a carga afluente à lagoa facultativa é: i) Estimativa da DBO particulada efluente (100 Lo (100 1.050 Admitindo-se uma concentração de SS efluente igual a 100 mg/l, e conside- 100 525 kg DBO/d rando-se que cada 1 mgSS/l implica numa DBO5 em torno de 0,35 mg/l (ver 100 Capítulo 2, Item 6.2), tem-se: h) Adoção da taxa de aplicação superficial DBO5 particulada = 0,35 100 35 kgDBO/ha.d Deve-se lembrar que a DBO particulada é detectada teste da DBO, mas i) Área requerida poderá não ser exercida no corpo receptor, dependendo das condições de sobrevivência das algas. 160 525 kgDBO/ha.d kgDBO/d 3,3 ha j) DBO total efluente Adotar 2 lagoas DBO total efluente = DBO solúvel + DBO particulada Área de cada lagoa: 33.000/2 16.500 m² DBO efluente = 29 + 35 64 mg/l Possíveis dimensões de cada lagoa: 205 m 80 m p) Cálculo da eficiência total do sistema de lagoa anaeróbia-lagoafacultativa na remoção da DBO 58 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas 59E 100 350 350 82% CAPÍTULO 4 q) Área útil total (lagoas anaeróbia + facultativa) Lagoas aeradas facultativas Área útil total = 0,23 ha + 3,3 ha 3,5 ha Obs: Com a lagoa facultativa única (Exemplo 2.3), a área requerida foi de 5,8 ha. Houve, portanto, uma substancial economia de área. tempo de detenção total presente exemplo é de 25,5 bastante inferior ao de uma lagoa facultativa única (38,7 d). r) Área total requerida 1. INTRODUÇÃO área total é da ordem de 25% a 33% superior à área útil requerida. Assim, A lagoa aerada facultativa é utilizada quando se deseja ter um sistema predomi- a área total ocupada pelo sistema de lagoas e estruturas auxiliares é de: nantemente aeróbio, e de dimensões mais reduzidas que as lagoas facultativas ou o sistema de lagoas anaeróbias seguidas por lagoas facultativas. Área total 1,3 3,5 = 4,6 ha A principal diferença com relação à lagoa facultativa convencional é quanto à s) Arranjo do sistema forma de suprimento de oxigênio. Enquanto na lagoa facultativa o oxigênio é advindo da fotossíntese, no caso da lagoa aerada facultativa o oxigênio é obtido principalmente SISTEMA DE LAGOAS ANAERÓBIAS LAGOAS FACULTATIVAS através de aeradores. Devido à introdução de mecanização, as lagoas aeradas são menos simples em de manutenção e operação, comparadas com as lagoas facultativas conven- A redução dos requisitos de área é conseguida, portanto, com uma certa 80m elevação no nível de operação, além da introdução do consumo de energia elétrica. Lagoa 1 As lagoas facultativas convencionais sobrecarregadas e sem área para expansão 34 podem ser convertidas a lagoas aeradas facultativas, através da inclusão de aeradores. Lag no entanto, prever esta possibilidade desde o período de projeto das lagoas facultativas, como parte da etapalização da estação, para que possam ser Lagoa 2 placas protetoras de concreto no fundo, abaixo dos aeradores, e para que seja selecionada uma profundidade que seja compatível como os futuros equipamen- de aeração. LAGOA AERADA FACULTATIVA CORPO RECEPTOR LAGOA AERADA FACULTATIVA GRADE DESARENADOR MEDIDOR VAZÃO fase fase sólida sólida Fig. 4.1. Lagoa aerada facultativa 60 Lagoas de estabilização Lagoas aeradas facultativas 612. DESCRIÇÃO DO PROCESSO Usualmente, adotam-se valores da profundidade H na faixa de: lagoa é denominada facultativa pelo fato do nível de energia introduzido pelos aeradores ser suficiente apenas para a oxigenação, mas não para manter os sólidos 2,5 a 4,5m (bactérias e sólidos em suspensão do esgoto bruto) dispersos na massa líquida. Desta forma, os sólidos tendem a sedimentar e constituir a camada de lodo de fundo, a ser 4. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE DBO decomposta anaerobiamente. Apenas a DBO solúvel e a DBO representada pelos sólidos de menores dimensões permanecem na massa líquida, vindo a sofrer decom- A estimativa da concentração efluente segue um procedimento similar ao utilizado cional. posição aeróbia. A lagoa se comporta, portanto, como uma lagoa facultativa conven- as lagoas facultativas (Capítulo 2, Item 6). A influência do regime hidráulico da agoa deve ser também levado em consideração. Os aeradores mecânicos mais comumente utilizados em lagoas aeradas são Uma diferença é, no entanto, fundamental. efluente das lagoas aeradas facultativas unidades de eixo vertical que, ao rodarem em alta velocidade, causam um grande constituído de matéria orgânica dissolvida (DBO solúvel) e matéria orgânica em suspen- turbilhonamento na água. Este turbilhonamento propicia a penetração do oxigênio são (DBO particulada), a qual não é mais composta predominantemente por algas: atmosférico na massa líquida, onde ele se dissolve. Com isto, consegue-se uma maior (4.1) introdução de oxigênio, comparada à lagoa facultativa convencional, permitindo a que a decomposição da matéria orgânica se dê mais rapidamente. Em decorrência, onde: tempo de detenção do esgoto na lagoa pode ser menor (da ordem de 5 a 10 dias), ou DBOtot total do efluente (mg/l) seja, o requisito de área é bem inferior. solúvel do efluente (mg/l) particulada (em suspensão) do efluente (mg/l) 3. CRITÉRIOS DE PROJETO A matéria orgânica em suspensão é representada principalmente pelas próprias bactérias responsáveis pela estabilização da matéria orgânica. Apesar da lagoa dimensionamento das lagoas aeradas facultativas é similar ao das lagoas aerada facultativa permitir a sedimentação dos sólidos, nem todos se sedimentam. facultativas no que diz respeito à cinética da remoção da DBO. Não há requisitos de protoplasma das bactérias é constituído, em grande parte, por matéria orgânica, a qual área superficial (taxas de aplicação superficiais), pelo fato do processo independer da exerce uma demanda de oxigênio no corpo receptor e no teste da DBO. No caso das fotossíntese. Alguns critérios de projeto são específicos para o sistema de aeração, lagoas de estabilização facultativas (sem aeração), os sólidos do efluente são consti- sendo descritos nos Ítens 5 e 6. tuídos principalmente por algas, as quais contribuem até para a produção de oxigênio Os seguintes critérios devem ser levados em consideração: no corpo receptor. Por esta razão, a DBO do efluente das lagoas facultativas sem tempo de detenção aeração pode ser considerado, em termos práticos, como sendo principalmente a profundidade DBO solúvel. Já no caso das lagoas aeradas, deve-se acrescentar a DBO relacionada a) Tempo de detenção fração orgânica dos sólidos em suspensão. tempo de detenção deve ser adotado de forma a permitir uma remoção a) DBO solúvel efluente satisfatória da DBO, segundo a cinética de remoção descrita no Capítulo 2, Item 6. A estimativa da DBO solúvel efluente é feita utilizando-se as mesmas fórmulas De maneira geral, adotam-se valores variando de: apresentadas para as lagoas facultativas, as quais são função do regime hidráulico do t=5a10d reator (Capítulo 2, Item 6, Quadro 2.4). valor do coeficiente de remoção K é, no caso das lagoas aeradas facultativas, b) Profundidade mais elevado. Valores típicos para regime de mistura completa situam-se na faixa critérios: A profundidade da lagoa deve ser selecionada de forma a satisfazer os seguintes de (Arceivala, 1981): compatibilidade com o sistema de aeração necessidade de uma camada aeróbia de aproximadamente 2 m para oxidar os gases Este valor é para uma temperatura do líquido de 20°C. Para outras temperaturas, da decomposição anaeróbia do lodo de fundo pode-se utilizar a Equação 2.3, com =1,035. 62 Lagoas de estabilização Lagoas aeradas facultativas 63Com relação ao valor de a ser utilizado nas equações do Quadro 2.4 e para densidade de potência representa a energia introduzida pelos aeradores por unidade dimensionamento do sistema de aeração, deve-se levar em consideração os seguintes volume do reator, sendo obtida por meio da fórmula: aspectos. lagoa facultativa permite a sedimentação da matéria orgânica particulada do esgoto bruto, a qual sofre processo de decomposição anaeróbia no lodo de fundo Pot/V (4.2) valor da DBO afluente a sofrer estabilização aeróbia é, desta forma, inferior ao valor total do esgoto bruto. valor de a ser adotado depende da atividade anaeróbia, a qual é função da temperatura do líquido. Desta forma, em nosso meio, densidade de potência (W/m³) as seguintes duas condições podem ocorrer (Arceivala, 1981): potência instalada (W) volume do reator (m³) Decomposição anaeróbia com hidrólise e acidificação, mas sem metanogênese = 100% da DBO total afluente Quanto maior a densidade de potência, maior a quantidade de sólidos em suspensão Clima: frio que ficam dispersos no meio líquido. Para diferentes densidades de potência, têm-se Comentário: há regiões com períodos frios em que a etapa de metanogênese as seguintes concentrações de SS que permanecem dispersas (Eckenfelder, 1979): (realmente responsável pela remoção da DBO) não ocorre totalmente, implicando na liberação de subprodutos intermediários da decomposição, os quais exercem uma Quadro 4.1 Valores da concentração de sólidos que podem ser mantidos em suspensão, em demanda de oxigênio na camada aeróbia. Desta forma, a DBO a requerer estabilização da densidade de potência aeróbia pode ser considerada como sendo igual a So. Densidade de potência (W/m³) SS (mg/l) Decomposição anaeróbia com hidrólise, acidificação e metanogênese 0,75 50 40 a 70% da DBO total afluente 1,75 175 2,75 300 Clima:quente Comentário: em condições em que temperatura do líquido é suficientemente elevada (≥ 15°C), a estabilização anaeróbia é completa, incluindo todas as etapas. As lagoas aeradas facultativas trabalham com baixas densidades de potência, pois Pelo fato de uma parcela da DBO ser estabilizada anaerobiamente no fundo, o valor um dos seus objetivos é exatamente possibilitar a sedimentação dos sólidos. Os de So considerado para a estimativa do efluente e dos requisitos de oxigenação é valores da densidade de potência das lagoas aeradas facultativas se encontram mais apenas uma fração da DBO afluente (em torno de 40 a 70%). próximos à faixa de 0,75 W/m³. Em assim sendo, a concentração de SS no efluente da lagoa encontra-se na faixa em torno de 50 mg/l. Caso se deseje ficar a favor da Para efeito de dimensionamento, pode-se considerar, por segurança, que a carga segurança, pode-se adotar valores maiores, como 100 mg/l. de DBO a ser estabilizada aerobiamente seja igual à carga total do esgoto bruto (So Uma vez estimada a concentração de SS no efluente, pode-se proceder ao cálculo = DBO do esgoto bruto): do valor esperado para a DBO particulada do efluente, através da seguinte relação: 100% da DBO5 total (solúvel + particulada) do esgoto bruto 0,3 a 0,4 b) DBO particulada efluente 5. REQUISITOS DE OXIGÊNIO Para se calcular a DBO particulada do efluente da lagoa aerada facultativa, é A quantidade de oxigênio a ser fornecida pelos aeradores para a estabilização necessário que se estime a concentração de sólidos em suspensão no efluente da lagoa, da matéria orgânica é usualmente igual à DBO total última afluente. A DBO já que a DBO particulada é causada exatamente pelos sólidos suspensos. última corresponde à demanda total de oxigênio exercida para a completa A quantidade de sólidos que permanecem em suspensão no meio líquido é função estabilização da matéria orgânica (ver Capítulo 2, Volume 1 da presente série). Em do nível de turbulência introduzido pelos aeradores. Este nível de turbulência, ou esgotos domésticos típicos, a é atingida ao final de um longo período de tempo, capacidade de mistura, é avaliado através do conceito da densidade de potência. A da ordem de 20 dias. A é, portanto, superior à pelo fato desta ser 64 Lagoas de estabilização Lagoas aeradas facultativas 65CENTRAL UFLA exercida apenas até quinto dia. Frequentemente adota-se a relação AERADOR MECÂNICO igual a 1,46 ou, em valores redondos, 1,5. ALTA ROTAÇÃO, EIXO VERTICAL As considerações efetuadas no Item 4.a são aqui também válidas. Assim, a demanda de oxigênio pode ser admitida, por segurança, como sendo toda devida à DBO do esgoto bruto, sem qualquer redução relacionada com a estabilização anae- róbia no fundo. No cômputo dos requisitos de oxigênio, pode-se descontar as seguintes parcelas: Parcela não estabilizada da DBO (S) saindo com o efluente. Isto se deve ao fato da eficiência do sistema na remoção da DBO ser inferior a 100%. Para a estimativa de S, ver o Item 4.a. Parcela da DBO não exercida pelos sólidos saindo com efluente (sólidos que deixam de exercer demanda). Tal corresponde à DBO particulada (convertida a DBO última), abordada no Item 4.b. Projeto de Norma de Lagoas (1991) sugere que a massa de oxigênio a ser fornecida seja igual ou superior a 60% da carga de aplicada. Considerando-se estes aspectos, tem-se que a quantidade a ser fornecida de oxigênio pode ser adotada como: (4.3) Fig. 4.2. Aerador mecânico onde: RO = requisito de oxigênio Ambos os sistemas requerem uma manutenção simples. A sua instalação é a = coeficiente, variando de 0,8 a 1,2 Q = vazão afluente (m³/d) também simples, não necessitando do uso de pilares de sustentação. Em caso de So necessidade, a sua posição na lagoa pode ser facilmente alterada. As unidades = concentração de total (solúvel + particulada) afluente (g/m³) S flutuantes adequam-se também às variações de nível da lagoa, que podem ser = concentração de solúvel efluente (g/m³) 1000 = conversão de kg para g (g/kg) controladas pelo vertedor de saída. Os seguintes aspectos devem ser levados em consideração: Os aeradores devem ser distribuídos homogeneamente pela área da lagoa. 6. SISTEMA DE AERAÇÃO No caso de lagoas predominantemente retangulares, pode-se ter um maior número de aeradores na região próxima à entrada, onde a demanda de oxigênio é superior. Em nosso meio, os aeradores mais frequentemente utilizados para as lagoas Aeradores contíguos devem ter sentidos de rotação opostos, isto é, um deve ter o aeradas são os aeradores mecânicos flutuantes de eixo vertical e alta rotação. sentido horário, e o outro anti-horário. Recentemente têm sido empregados também os aeradores de turbina com aspiração. Caso se deseje uma menor perda de sólidos no efluente, a região final da lagoa poderá Para maiores informações com relação a sistemas de aeração, ver o Capítulo "Prin- ficar sem aeradores, de forma a garantir melhores condições de sedimentabilidade. cípios de Volume 2 da presente série. Deve-se ter um mínimo de 2 aeradores em lagoas pequenas. Os dados do fabricante devem ser consultados com relação à profundidade da lagoa, zona de influência de cada aerador, eficiência etc. Quadro 4.2 apresenta valores aproximados para as faixas de operação dos aeradores, em função da sua potência. Como pode ser observado, a área de influência de cada aerador em termos de oxigenação é bem superior à área de mistura. 66 Lagoas de estabilização 67 Lagoas aeradas facultativasQuadro 4.2. Faixas usuais de operação dos aeradores de alta rotação 8. ACÚMULO DE LODO Profundidade Faixa de potência Diâmetro de influência (m) A taxa de acúmulo de lodo é da ordem de 0,03 a 0,08 m³/hab.ano (Arceivala, 1981). normal de Diâmetro da placa dos aeradores (CV) operação (m) Oxigenação anti-erosiva 0 lodo deverá ser removido quando a camada atingir uma espessura que possa ser afetada Mistura pelos aeradores, ou quando a redução do volume útil da lagoa for julgada substancial. 5 10 2,0 3,6 14 16 2,6 3,4 3,0 4,3 60 80 Projeto de Normas para Lagoas sugere a inclusão de desarenação a montante 3,4 4,8 3,8 5,2 85 100 27 - 32 4,8 6,0 de lagoas aeradas. Nota: As potências usuais dos aeradores são: 5; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40 e 50 CV. Há aeradores de alta rotação com maiores potências, mas êles tendem, no conjunto, a ser menos Fonte: elaborado a partir de dados apresentados em Crespo (1995) 9. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO 7. REQUISITOS ENERGÉTICOS Exemplo 4.1 A energia necessária para o suprimento dos requisitos dos aeradores é calculada com base no consumo de oxigênio (RO). parâmetro que converte consumo de oxigênio em consumo de energia é a eficiência de oxigenação (E.O.), expressa nas Dimensionar uma lagoa aerada facultativa, com os mesmos dados dos unidades de kgO₂/kWh. exemplos anteriores, ou seja: Os dados do fabricante são normalmente expressos nas condições padrão, para População = 20.000 hab fornecer uma base comum para a comparação das eficiências. As condições padrão Vazão afluente = 3.000 m³/d são para 20°C, ausência de oxigênio dissolvido, salinidade nula, nível do mar, água DBO afluente: So 350 mg/l limpa. Para maiores informações com relação à aeração, ver Capítulo de Temperatura: T (líquido) Volume 2 da presente série. Solução: Nas condições padrão, a eficiência de oxigenação dos aeradores citados situa-se na faixa apresentada a seguir. No entanto, os dados do fabricante deverão ser sempre a) Adoção do tempo de detenção consultados. 8 d (adotado) 1,5 a b) Estimativa da DBO solúvel efluente Nas condições reais de operação, a eficiência de oxigenação é menor, na seguinte Admitindo-se um sistema de mistura completa, e adotando-se coeficiente faixa: K=0,6 d¹ para 20°C, corrigido para 0,7 d¹ a So 350 EOcampo 55% a 65% da EOpadrão DBO5 solúvel = mg/l Os requisitos energéticos são dados pela seguinte fórmula: Menores valores de S serão obtidos caso se adote modelo de fluxo disperso. RO RE c) Estimativa da DBO particulada efluente = 24 (4.4) Assumindo que o efluente contenha 100 mg/l de sólidos em suspensão (SS), a concentração de DBO5 particulada efluente será de aproximadamente: onde: RE = requisitos energéticos (kW) DBO5 part 0,35 mgDBO5/mgSS x 100 35 24 = conversão de dias para horas (24 h/d) d) DBO total efluente DBO total = DBO solúvel + DBO part = + 88 mg/l 68 Lagoas de estabilização Lagoas aeradas facultativas 69Este valor é superior ao dos sistemas de lagoas calculados anteriormente i) Aeradores Para se reduzir a concentração de DBO efluente, pode-se aumentar tempo de detenção (anti-econômico, por exigir grandes aumentos para uma pequena Adotar 6 aeradores de 7,5 CV cada. redução em S) ou mudar a configuração do reator para um sistema aproxi A potência total instalada é, portanto, de 6x7,5 CV = 45 CV (34 kW) mando fluxo em pistão. Pode-se também excluir aeradores na zona de saída, objetivando reduzir a concentração de SS efluente. j) Dimensões da lagoa Adotar 2 lagoas em paralelo. Com 2 lagoas, tem-se uma maior flexibilidade, A eficiência do sistema na remoção de DBO é: durante os eventuais períodos de retirada de lodo (uma lagoa sendo limpa, e E So S 350 75% uma lagoa em operação). Considerando-se uma área de influência quadrada para cada aerador, e deixando as células finais sem aeradores, a lagoa poderá ter as seguintes e) Volume requerido dimensões: 116 m 58 m (8 quadrados com dimensões de 29 mx 29 m) f) Área requerida 29 Adotando-se uma profundidade H=3,5 m: 29 58 V 3,5m ha) 116 g) Requisitos de oxigênio RO 1000g/kg De acordo com Quadro 4.2, para uma potência de 7,5 CV de cada aerador, a área de influência de 29 m x 29 m está dentro da zona de oxigenação (como desejável), mas sai fora da zona de mistura (também desejável). Requisitos de energia l) Verificação da densidade de potência A dotar aeradores flutuantes, de alta rotação. A Eficiência de Oxigenação, nas condições padrão, é da ordem de: A densidade de potência média em toda a lagoa é: Pot V 34.000W 1,4 Eficiência de Oxigenação campo pode ser adotada como em torno de 60% da padrão. Assim, Esta densidade de potência manterá sólidos em suspensão. A estimativa de 100 mg/l é razoável (ver Quadro 4.1). densidade de potência da zona aerada EOcampo 1,8 = apenas é maior, já que volume da zona aerada é 75% do volume total da A potência requerida é: lagoa (3/4 do comprimento da lagoa possuem aeradores, e 1/4 é desprovido de aeradores ver item j). RO Pot kg 34 EOcampo kg CV m) Acúmulo de lodo Acumulação anual ano X 20.000 hab 1.000 70 Lagoas de estabilização Lagoas aeradas facultativas 71Espessura em 1 ano: CAPÍTULO 5 Espessura = 1.000 1 ano 0,14 6.900m² Espessura em 7 anos de operação: Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação Espessura: 0,14 m/ano x 7 anos 1,0 m em 7 anos Após 7 anos de operação, haverá um acúmulo de lodo da ordem de 1,0 T, reduzindo a altura útil da lagoa de 3,5 m para 2,5 m (redução em torno de 30%). Possivelmente será necessária uma limpeza após este período. 1. INTRODUÇÃO n) Área total requerida As lagoas aeradas de mistura completa são essencialmente aeróbias. Os aeradores área líquida requerida é de 0,69 ha. área total requerida para todos os servem, não só para garantir a oxigenação do meio, mas também para manter os componentes da estação é aproximadamente 30% superior a este valor. Assim, em suspensão (biomassa) dispersos meio líquido. tempo de detenção a área total será de 1,30 x 0,69 ha = 0,90 ha. em uma lagoa aerada de mistura completa é da ordem de 2 a 4 dias. requisito de área per capita é de: A qualidade do efluente de uma lagoa aerada de mistura completa não é adequada Área per capita população área total 20.000 9.000 m² hab 0,45 lançamento direto, pelo fato de conter elevados teores de sólidos em suspensão. Por esta razão, estas lagoas são normalmente seguidas por outras lagoas, onde a sedimentação e estabilização destes sólidos possa ocorrer. Tais lagoas são denomina- Este valor é aproximadamente 12% do valor requerido para uma lagoa das de lagoas de decantação. facultativa única (ver Exemplo 2.3). Os tempos de detenção nas lagoas de decantação são baixos, da ordem de 2 dias. o) rranjo do sistema Este tempo é suficiente para uma eficiente remoção dos sólidos em suspensão produzidos na lagoa aerada, mas contribui muito pouco na remoção bioquímica LAGOAS AERADAS FACULTATIVAS adicional de DBO, em virtude da baixa concentração de biomassa mantida em 116 m dispersão no meio líquido (a biomassa tende a sedimentar). Ademais, a capacidade Lagoa 1 de acúmulo de lodo é relativamente reduzida, implicando na necessidade de uma 29 m remoção a cada 1 a 5 anos (há sistemas com remoção contínua de lodo, através de bombas acopladas a balsas). Não há ainda uma satisfatória experiência nacional com Lagoa 2 SISTEMA: LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA LAGOA DE DECANTAÇÃO CORPO RECEPTOR LAGOA AERADA DE MISTURA COMPLETA LAGOA DE DECANTAÇÃO GRADE DESARENADOR MEDIDOR VAZÃO fase fase sólida sólida Fig. 5.1. Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas por lagoas de decantação 72 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 73relação à determinação da taxa de acúmulo de lodo, bem como em termos da remoção 3. CRITÉRIOS DE PROJETO DAS LAGOAS AERADAS e destinação do lodo da lagoa de decantação. A área requerida por este sistema de lagoas á a menor dentre os sistemas de lagoas. principal critério de projeto é o tempo de detenção. dimensionamento segue Os requisitos de energia são similares aos demais sistemas de lagoas aeradas. diversos princípios do tratamento biológico, descritos nos Volumes 2 e 4 da presente 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO a) Tempo de detenção Na lagoa aerada, o nível de energia introduzido pela aeração cria uma turbulência Nas lagoas aeradas de mistura completa, tem-se a seguinte relação entre o tempo tal que, além de garantir a oxigenação, permite ainda que todos os sólidos sejam de detenção do líquido e da biomassa: mantidos dispersos no meio líquido. A denominação mistura completa é, portanto, advinda do alto grau de energia por unidade de volume, responsável pela total mistura tempo de detenção hidráulica = tempo de retenção celular dos constituintes em toda a lagoa. Entre os sólidos mantidos em suspensão e em mistura completa se incluem, além ou da matéria orgânica do esgoto bruto, também as bactérias (biomassa). Há, em decorrência, uma maior concentração de bactérias no meio líquido, além de um maior contato matéria orgânica-bactérias. Com isto, a eficiência do sistema aumenta bas- tempo de detenção hidráulica (t) é o tempo médio de permanência das tante, permitindo a que o volume da lagoa aerada seja bastante reduzido. moléculas do líquido no reator. tempo de retenção celular, ou idade do lodo é A lagoa aerada atua de forma similar aos tanques de aeração do sistema de lodos tempo médio de permanência das células bacterianas no reator. ativados. A principal diferença é a inexistência de recirculação de sólidos, caracterís- No caso da lagoa aerada de mistura completa, devido à inexistência de recircula- tica essencial do sistema de lodos ativados. Devido à inexistência da recirculação, a ção do lodo ou qualquer forma de retenção dos sólidos, as moléculas do líquido e as concentração da biomassa atinge apenas um determinado valor, ditado pela disponi- células bacterianas permanecem o mesmo tempo no reator (t Este importante bilidade de substrato (carga de DBO) afluente. A concentração de sólidos em aspecto tem implicações hidráulicas e de processo. Nos lodos ativados, a idade do suspensão biológicos na lagoa aerada é da ordem de 20 a 30 vezes menor do que no lodo é o principal parâmetro de projeto. No caso das lagoas aeradas de mistura reator dos sistemas de lodos ativados, o que justifica a elevadíssima eficiência deste completa, o tempo de detenção hidráulico (= idade do lodo) constitue-se no principal último. parâmetro. No entanto, apesar da boa eficiência das lagoas aeradas na remoção da matéria Nas lagoas aeradas de mistura completa, o tempo de detenção varia na faixa de: orgânica originalmente presente nos esgotos, a qualidade do seu efluente não é satisfatória para lançamento direto no corpo receptor. A biomassa permanece em suspensão em todo o volume da lagoa, vindo, portanto, a sair com o efluente da lagoa Caso se adote mais de uma célula em série, o tempo de detenção em cada uma aerada. Esta biomassa é, em última análise, também matéria orgânica, ainda que de poderá ser próximo a 2 dias. A vantagem de se ter tempos de detenção em torno de uma natureza diferente da DBO do esgoto bruto. Esta nova matéria orgânica, caso 2 dias é a redução no crescimento de algas, as quais não teriam tempo de se lançada no corpo receptor, exerce também uma demanda de oxigênio, causando a desenvolver em cada célula, em virtude da taxa de saída com o efluente ser superior deterioração da qualidade das águas. à sua taxa de crescimento e reprodução. Há necessidade, portanto, de uma unidade a jusante, na qual os sólidos em suspensão (predominantemente a biomassa) possam vir a sedimentar. No presente b) Profundidade caso, esta unidade é representada por uma lagoa de decantação. efluente da lagoa de decantação sai com menor teor de sólidos, podendo ser lançado diretamente no A profundidade da lagoa deve ser selecionada de forma a satisfazer os requisitos corpo receptor. do sistema de aeração, em termos de mistura e de oxigenação. Usualmente, adotam-se valores da profundidade H na faixa de: 74 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 754. ESTIMATIVA DA CONCENTRAÇÃO Assumindo-se o regime de mistura completa, a concentração de DBO efluente da DE DBO EFLUENTE DA LAGOA AERADA aerada é dada por: Para a estimativa da concentração de DBO efluente da lagoa aerada podem ser So (5.3) adotados modelos similares aos empregados para o processo de lodos Apresenta-se, neste texto, uma versão simplificada, baseada nas reações de primeira ordem. Nestas condições, a estimativa da concentração efluente segue um procedi- Como nos demais sistemas, So representa a DBO total (solúvel + particulada) mento similar ao utilizado para as lagoas aeradas facultativas (Capítulo 4, Item 4). afluente, ao passo que S representa a DBO solúvel efluente. A influência do regime hidráulico da lagoa pode ser também levado em conside- interessante notar que, dentro de determinados limites, S independe da concen- ração. No entanto, usualmente tem-se adotado o modelo de mistura completa, que afluente So. Caso So aumente, a concentração da biomassa (Xv) aumenta oferece uma boa aproximação para o reator da lagoa aerada. proporcionalmente, em decorrência da maior disponibilidade de alimento. Caso So diminua, diminue, e S permanece constante. Este comentário é para o estado Também neste caso o efluente das lagoas aeradas é constituído de matéria estacionário, com situações médias (de projeto), pois rápidas variações de So (típicas orgânica dissolvida (DBO solúvel) e matéria orgânica em suspensão (DBO parti- culada) (ver Capítulo 4, Item 4): operação) não são imediatamente acompanhadas pelo aumento de Xv. Os valores de K e K' são para uma temperatura do líquido de 20°C. Para outras DBOtot (5.1) temperaturas, pode-se utilizar a Equação 2.3, com o coeficiente igual a 1,035. A concentração da biomassa (Xv) é resultante do crescimento bruto (fator positivo a) DBO solúvel efluente balanço) e do decaimento bacteriano (fator negativo no balanço). A fórmula para cálculo de é: A estimativa da DBO solúvel efluente da lagoa aerada pode ser feita utilizando-se as mesmas fórmulas apresentadas para as lagoas facultativas e aeradas facultativas, Y. (5.4) as quais são função do regime hidráulico do reator (Capítulo 2, Item 6, Quadro 2.4). Como comentado, pode ser assumido o modelo de mistura completa. valor do coeficiente de remoção no caso das lagoas aeradas de mistura completa, mais elevado ainda do que nos demais sistemas de lagoas. Tal se deve à onde: = coeficiente de produção celular Retrata a quantidade de bio- Y maior concentração de bactérias na lagoa. Valores típicos de K situam-se na faixa de massa (mg Xv) que é produzida por unidade de substrato utilizado (mg (Arceivala, 1981): Kd = coeficiente de decaimento bacteriano Retrata a taxa de mortandade da biomassa durante o metabolismo endógeno. Neste valor de K está embutida, entretanto, a influência da concentração dos Valores típicos destes coeficientes são (Metcalf & Eddy, 1991): sólidos em suspensão voláteis SSV ou representativos da biomassa. coeficiente K pode ser desmembrado em duas frações, de forma que: Quadro 5.1. Valores dos coeficientes cinéticos e estequiométricos (5.2) Unidade Faixa Valor típico Coeficiente onde: Y mgSSV/mgDBO5 0,6 Kd 0,06 K' = coeficiente de remoção da DBO valor de K' está na faixa de 0,01 a 0,03 (Arceivala, 1981) Xv = concentração de sólidos em suspensão voláteis (mg/l) b) DBO particulada efluente De acordo com a Equação 5.2, quanto maior a concentração de biomassa (Xv), Para se calcular a DBO particulada do efluente da lagoa aerada de mistura maior o coeficiente K (K' é constante) e, em decorrência, maior a eficiência na completa, é necessário que se estime a concentração de sólidos em suspensão no remoção da DBO. efluente da lagoa, já que esta DBO é causada pelos sólidos suspensos. 76 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 77A concentração de sólidos em suspensão voláteis no efluente da lagoa aerada é Nas lagoas aeradas de mistura completa, em várias situações, os requisitos energé- dada pela Equação 5.4 acima. são mais para suprir as necessidades de mistura do que de oxigenação. Nestas A DBO particulada pode ser estimada através da seguinte relação com os sólidos condições, o cálculo dos requisitos de oxigênio pode ser supérfluo, tendo impor- em suspensão voláteis: o conceito da densidade de potência (ver Item 6 abaixo). 0,4 a 0,8 6. REQUISITOS ENERGÉTICOS NA LAGOA AERADA Nas lagoas aeradas a relação entre os sólidos em suspensão voláteis (SSV ou Xv) e os sólidos em suspensão totais (SS ou X) é da ordem de: Como comentado acima (Item 5), os requisitos energéticos são calculados de forma a satisfazer também as necessidades de mistura. Caso se deseje verificar os requisitos energéticos para a oxigenação, pode-se adotar a metodologia descrita no Assim, a DBO particulada pode ser estimada também em função dos sólidos em Capítulo 4, Item 7. suspensão totais, agregando-se as duas últimas relações: Os requisitos para mistura são avaliados segundo o conceito da densidade de Como visto no Capítulo 4, Item 4.b, a densidade de potência representa a 0,3 a 0,6 energia introduzida pelos aeradores por unidade de volume do reator, sendo obtida por meio da fórmula: 5. REQUISITOS DE OXIGÊNIO NA LAGOA AERADA Pot/V (5.6) A quantidade de oxigênio a ser fornecida pelos aeradores para a estabilização onde: aeróbia da matéria orgânica é usualmente igual à DBO total última removida (ver = densidade de potência (W/m³) Capítulo 4, Item 5). Frequentemente adota-se a relação igual a 1,46 ou, em valores redondos, 1,5. Pot potência instalada (W) V = volume do reator (m³) Pode-se descontar ainda o consumo de oxigênio não exercido pelos sólidos em suspensão voláteis saindo do sistema com o efluente, de forma similar ao que é feito Para se assegurar uma dispersão completa dos sólidos em suspensão na lagoa nos cálculos de um sistema de lodos ativados. No entanto, por simplificação no deve-se ter uma densidade de potência com as seguintes características presente texto, pode-se considerar os seguintes critérios: (Projeto de Norma de Lagoas, 1991): Em termos práticos, o requisito de oxigênio pode ser adotado como variando de ≥ 3,0 1,1 a 1,4 vezes a carga de removida: A potência requerida (Pot) para mistura pode ser calculada através da Equação RO adotando-se um valor para e conhecendo-se V. 1000 (5.5) onde: 7. DIMENSIONAMENTO DA LAGOA DE DECANTAÇÃO a coeficiente de consumo de oxigênio. Varia de 1,1 a 1,4 Para o dimensionamento da lagoa de decantação devem ser previstos volumes removida. destinados (a) à clarificação (decantação) e (b) ao armazenamento e digestão do lodo RO requisito de oxigênio (Sobrinho e Rodrigues, sem data; Projeto de Norma para Lagoas, 1991): Q vazão afluente (m³/d) concentração de total (solúvel + particulada) afluente (g/m³) Volume destinado à clarificação: S = concentração de solúvel efluente (g/m³) Tempo de detenção: t ≥ 1 d 1000 = conversão de g para kg (g/kg) Profundidade: 1,5m 78 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 79Volume total da lagoa: 8. EXEMPLO DE Tempo de detenção (final de plano): t (para evitar o crescimento de algas Profundidade: H ≥ 3,0m (para permitir uma camada aeróbia acima do lodo) Exemplo 5.1 acúmulo do lodo pode ser calculado assumindo-se os seguintes dados: Dimensionar um sistema de lagoa aerada de mistura completa seguida por Relação SSV/SS nos sólidos afluentes à lagoa de decantação: 0,75 (75% dos SS são voláteis) lagoa de decantação, com os mesmos dados dos exemplos anteriores, ou seja: Taxa de redução dos sólidos voláteis: KLV 0,5 ano⁻¹ (50% de remoção por ano) População = hab (Arceivala, 1981) Vazão afluente = 3.000 m³/d DBO afluente: So = 350 mg/l A equação a seguir, modificada de Arceivala (1981), permite a estimativa do Temperatura: T = 23°C (líquido) volume acumulado de lodo após um período de anos, em função da taxa de degrada ção dos sólidos voláteis e do acúmulo dos sólidos fixos, e supondo uma densidade Solução: do lodo próxima a 1,0: 1. Lagoa aerada (5.7) a) Adoção do tempo de detenção Vₜ (adotado) 1000 100 b) Volume requerido onde: V 3000 m³/d 9.000 m³ Vₜ = volume de lodo acumulado após um período de t anos (m³) Mov c) Área requerida = massa de sólidos em suspensão voláteis retidos na lagoa por unidade de tempo (kg SSV/ano) Adotando-se uma profundidade H=3,5 m: Mof = massa de sólidos em suspensão fixos retidos na lagoa por unidade de tempo (kg SSf/ano) H V 9.000m³ 3,5m 2.570 m² (0,26 ha) = coeficiente de degradação dos sólidos em suspensão voláteis em condições anaeróbias (ano⁻¹). Ky varia de 0,4 a 0,6 ano⁻¹, com um As dimensões da lagoa podem ser: valor médio de 0,5 50 m 50 m (0,25 ha) t = período de anos (ano) sól. secos = percentagem de sólidos secos no lodo = 100 percentagem de d) Estimativa da concentração de sólidos em suspensão voláteis (SSV) na umidade no lodo lagoa aerada Coeficientes cinéticos (ver Quadro 5.1): Y = 0,6 (adotado) Kd=0,06 (adotado) Estimativa inicial da concentração de solúvel efluente (S): S 50 mg/l (estimativa inicial) Y. 0,6 (350 153 mg/l 80 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 81e) Estimativa da DBO solúvel efluente Admitindo-se um sistema de mistura completa, e adotando-se coeficiente RO K'=0,017 que corresponde a 0,015 a 20°C, após correção para 23°C: solúvel 350 i) Requisitos de energia A dotar aeradores flutuantes, de alta rotação. Eficiência de Oxigenação, nas No item d acima, a estimativa inicial de S=50 mg/l pode ser corrigida para condições padrão, é da ordem de: S = 40 mg/l, recalculando-se então a concentração de SSV até uma conver- gência satisfatória. A Eficiência de Oxigenação no campo pode ser adotada como em torno de Este valor de DBO solúvel encontrado é tanto para efluente da lagoa 60% da padrão. Assim, aerada, quanto para efluente final (efluente da lagoa de decantação, já que EOcampo 0,60 1,1 se despreza a remoção da DBO solúvel na lagoa de decantação). A potência requerida é: f) Estimativa da DBO particulada efluente RO kg Considerando-se que efluente da lagoa aerada contém 153 mg/l de sólidos Pot CV 1,1 em suspensão voláteis, a DBO particulada efluente da lagoa aerada será: DBO5 part 0,6 153 92 j) Aeradores Adotar 4 aeradores de 15 CV cada. Este valor é elevado para lançamento direto no corpo receptor, justificando A potência total instalada é, portanto, de 4x15 CV CV kW) a necessidade da lagoa de decantação a jusante. Admitindo-se que a lagoa Cada aerador será responsável por uma área de influência de 25 m x 25 m de decantação apresente uma eficiência de 85% na remoção destes sólidos (as dimensões da lagoa são 50 m 50 m). será: em suspensão voláteis, a concentração de SSV no efluente final do sistema De acordo com o Quadro 4.2, para a potência de 15 CV, a área de influência está dentro da zona de oxigenação e próxima da zona de mistura. profun- (100 (100 didade da lagoa é também satisfatória. SSVe 100 100 l) Verificação da densidade de potência Desta forma, a DBO particulada efluente final será: DBO5 part 0,6 mgDBO5/mgSSV 23 14 Ф Pot 44.000 W V 9.000 g) DBO total efluente Esta densidade de potência deve ser suficiente para manter os sólidos em DBO total = DBO solúvel + DBO part + 54 mg/l suspensão (ver Quadro 4.1). Além disso, é superior ao valor de 3,0 W/m³ A eficiência do sistema na remoção de DBO é: sugerido pela Proposta de Norma para lagoas. 2. Lagoa de decantação E 100 85% 350 m) Dimensionamento da lagoa de decantação h) Requisitos de oxigênio Zona de clarificação (reservada para o líquido): Tempo de detenção: (adotado) Os requisitos de oxigênio são em torno de 1,1 a 1,4 da carga de DBO5 Volume: Vclarif 1,0 dx 3000 removida. Adotando-se a relação de 1,2, tem-se: Profundidade: Hclarif 1,5 m (adotado) 82 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 83Área requerida: H 3.000m³ 1,5m 2.000 m² (0,20 ha) Para diversos valores de t, tem-se: Zona de lodo (reservada para armazenamento e digestão do lodo): Acrescentar uma profundidade adicional de 1,5 Tempo (anos) Volume acumulado (m³) Relação lagoa Altura (m) 0,5 1082 0,18 0,54 Dimensões e valores totais (zonas de clarificação e lodo): 1,0 1991 0,33 0,99 1,5 2765 0,46 1,38 Área total: 2.000 m² 2,0 3433 0,57 1,71 Profundidade: 1,5 + 1,5 3,0 m 2,5 4020 0,67 2,01 Volume total: 2000 m² 3,0 6.000 m³ 3,0 4542 0,76 2,28 3,5 5015 0,84 2,52 Número de lagoas: 2 Dimensões de cada lagoa: 40 m 25 m x 3,0 m Coluna 2: equação acima Coluna 3: (coluna 2)/6.000 m³, onde 6.000 m³ é volume da lagoa de Tempo de detenção a lagoa limpa: Q V 3.000 6.000 m³ = 2,0 decantação Coluna 4: (coluna 3)x3,0 T, onde 3,0 m é a altura total da lagoa de n) Acumulação de lodo decantação carga de sólidos afluentes à lagoa de decantação é composta de sólidos em Observa-se que, após um período entre 1,5 e 2,0 anos de operação, volume suspensão voláteis SSV (determinados по Item d) e de sólidos em suspensão reservado para a acumulação de (correspondente à altura inicial pre- fixos SSf. Admitir uma relação de 0,75 para SSV/SS (ver Capítulo 5, Item 4). vista de 1,5 m) foi totalmente tomado. É necessária, portanto, a remoção do Desta forma, a relação SSf/SSV será: lodo da lagoa. SSf/SSV (1-0,75)/0,75 1/3 Após 1,5 anos, volume de lodo acumulado corresponde à seguinte taxa de acúmulo por habitante por ano: As cargas de sólidos afluentes à lagoa por ano são: (2.765 m³/1,5 anos)/20.000 hab 0,09 m³/hab.ano SSV = 3.000 m³/d 0,153 x 365 d/ano = 167.535 kgSSV/ano SSf =3.000 m³/d x (0,153/3) x 365 d/ano 55.845 Área requerida total (lagoa aerada + lagoa de decantação) Assumindo-se uma remoção de 85% dos sólidos na lagoa de decantação, Área total = 0,25 + 0,20 0,45 ha ha, área requerida para a lagoa lagoa: tem-se as seguintes cargas de sólidos em suspensão voláteis e fixos retidos na aerada facultativa Exemplo 4.1) 0,85x167.535 = 142.405 kgSSV/ano área total requerida para todos os componentes da estação é aproximada- Mof 0,85x55.845 47.468 kgSSf/ano mente 30% superior a este valor. Assim, a área total será de 1,30 x 0,45 ha = 0,59 ha. Adotando-se a Equação 5.7 para a estimativa do acúmulo de lodo após um período de t anos, e assumindo-se uma percentagem de sólidos secos по lodo requisito de área per capita é de: de 8% (umidade 92%), tem-se: 142.405 Vₜ 0,5 47.468 Área per capita população área total 20.000hab 5.900m² 0,30 = 1000 8 100 1000 100 Este requisito é doze inferior ao de uma lagoa facultativa única (Exemplo 2.3). 84 Lagoas de estabilização Sistema de lagoas aeradas de mistura completa seguidas de lagoas de decantação 85p) Arranjo do sistema CAPÍTULO 6 SISTEMA DE LAGOAS AERADAS DE MISTURA COMPLETA LAGOAS DE DECANTAÇÃO Lagoas de maturação 50 m 40 m 25 Lag. dec. 1 50 m Lagoa aerada 1. INTRODUÇÃO As lagoas de maturação possibilitam um polimento no efluente de qualquer dos 25 m Lag. dec.2 sistemas de lagoas de estabilização descritos anteriormente ou, em termos mais amplos, de qualquer sistema de tratamento de esgotos. principal objetivo das lagoas de maturação é o da remoção de patogênicos, e não da remoção adicional de DBO. As lagoas de maturação constituem-se numa alternativa bastante econômica à desinfecção do efluente por métodos mais conven- como a cloração. 2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO ambiente ideal para os microrganismos patogênicos é o trato intestinal humano. Fora deste, quer na rede de esgotos, no tratamento de esgotos, ou no corpo receptor, os patogênicos tendem a morrer. Diversos fatores contribuem para tal, como tempera- tura, insolação, pH, escassez de alimento, organismos predadores, competição, compostos tóxicos etc. A lagoa de maturação é dimensionada de forma a fazer uma utilização ótima de alguns destes mecanismos. Vários destes mecanismos se tornam mais efetivos com menores profundidades da lagoa, o que justifica o fato de que as lagoas de maturação sejam mais rasas, comparadas aos demais tipos de lagoas. Dentre os mecanismos associados à profundidade da lagoa, pode-se citar (van Haandel et Lettinga, 1994; van Buuren et al, 1995): Radiação solar (radiação ultra-violeta) Elevado pH (pH > 8,5) Elevada concentração de OD (favorecendo uma comunidade aeróbia, mais eficien- te na competição por alimento e na eliminação dos patogênicos). As lagoas de maturação devem atingir elevadíssimas eficiências na remoção de coliformes (E > 99,9 ou 99,99%), para que possam ser cumpridos os padrões para utilização do efluente para irrigação (ver Item 5), ou os padrões para corpos d'água, em função da classe a que pertencem (Resolução CONAMA N° 20). Com relação aos outros organismos de interesse na saúde pública, mas não bem representados pelos coliformes, as lagoas usualmente atingem eliminação total de helmintos, cistos e ovos (Arceivala, 1981). 86 87 Lagoas de estabilização Lagoas de maturação3. ESTIMATIVA DA 3,2. Os regimes hidráulicos idealizados CONCENTRAÇÃO EFLUENTE DE COLIFORMES forma a se obter a elevadíssima remoção de coliformes usualmente requerida, de fluxo De a adoção de células em série ou, preferencialmente, de um reator 3.1. A influência do regime hidráulico necessária (equivalente a um número de células infinito). Quadro 6.2 apresenta atinja os a A mortandade dos patogênicos, bem como dos indicadores de contaminação fecal pistão relativos requeridos, em função do número de células, para adimensional que se Kb.t. (coliformes), segue uma cinética de primeira ordem (de maneira similar à estabiliza volumes eficiência. Todos os valores são expressos como o produto de ção da DBO nos sistemas de lagoas, a qual também segue uma cinética de primeira mesma forma, para um determinado valor de Kb, tem-se os diversos volume tempos total ordem). De acordo com as reações de primeira ordem, a taxa de mortandade dos total requeridos, ou, em outras palavras, uma indicação do valor de Kb, patogênicos é proporcional à concentração de patogênicos em qualquer instante obter uma determinada eficiência. Caso se tenha o (cálculo de o Assim, quanto maior a concentração de patogênicos, maior será a taxa de requerido pode para ser se utilizado para o cálculo direto do volume total requerido se atingir Valem aqui, portanto, as mesmas considerações efetuadas no Capítulo 2, Item 6. quadro pelo cálculo de V, sabendo-se que V=t.Q). Por exemplo, série, para Kb.t uma seguido eficiência de 99,9% de remoção de coliformes, com 3 lagoas em será o par 27/1,5 regime hidráulico das lagoas tem uma grande influência na eficiência de remoção de coliformes. A ordem decrescente de eficiência é a seguinte: igual a 27. Caso Kb seja igual a 1,5, o tempo de detenção requerido = 18 dias. fluxo em pistão maior eficiência lagoas em série 6.2 Volumes relativos necessários para se atingir uma determinada série eficiência de fluxo disperso LM Quadro remoção, em função do número de reatores de mistura completa em mistura completa menor eficiência Volume relativo (produto adimensional Kb.t) Número de lagoas E=99% E=99,9% E=99,99% em série E=90% Em função dos diversos regimes hidráulicos, são as seguintes as fórmulas para a 999 9999 99 1 9,0 18 61 198 determinação da contagem de coliformes no efluente da lagoa de maturação: 2 4,3 62 11 27 3,5 18 36 3,1 8,6 4 7,6 15 27 Quadro 6.1 Fórmulas para o cálculo da contagem de coliformes efluentes N 5 2,9 4,6 6,9 9,2 (fluxo em pistão) 2,3 Fórmula da contagem Regime Hidráulico Esquema de coliformes efluentes (N) Fluxo em pistão A interpretação do Quadro 6.2 conduz aos seguintes pontos: uma lagoa única de mistura completa, são necessários elevadísssimos o volumes volume Mistura completa No (1 célula) com se atingir uma satisfatória remoção de coliformes (para E=99,99%, de fluxo No para necessário é aproximadamente 1.000 vezes maior do que para um reator N= Mistura completa (células iguais em série) em pistão) lagoas em série, uma redução substancial de volume, aliado células a elevadas com eficiências, ocorre apenas com um sistema composto de mais de 3 o reator de fluxo em pistão requer volumes bastante reduzidos, comparados aos Fluxo disperso demais sistemas A 6.1 ilustra as eficiências e o número de unidades logarítmicas removidas, em série. No contagem de coliformes no afluente (org/100ml) N contagem de coliformes no efluente ml); Kb coeficiente diferentes Figura valores do par adimensional Kb.t e do número de células E 99% de decaimento bacteriano tempo de detenção (d); n número de lagoas em série (-) número de dispersão D/U.L (adimensional); D coeficiente de dispersão longitudinal U velocidade para Uma eficiência E = 90% corresponde à remoção de 1 unidade logarítmica; média de percurso no reator L comprimento do percurso longitudinal no reator (m) 89 Lagoas de estabilização Lagoas de maturaçãoREMOÇÃO DE COLIFORMES 2 unidades log; E = 99,9% -> 3 unidades log; E 99,99% -> 4 unidades log; E Lagoas em série -> 5 unidades log, e assim por diante (log remov = Novamente, a maior eficiência do reator de fluxo em pistão é inconteste. Remoções EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO acima de 99,9%, com tempos de detenção não excessivos, somente podem ser atingidas com um número de células em série superior a 4 ou, preferencialmente, 100,00 através do fluxo em pistão. n=4 3.3. regime hidráulico de fluxo disperso 98,00 n=3 Na realidade, o comportamento das lagoas se dá segundo o regime hidráulico de fluxo em pistão n=2 96,00 fluxo disperso. A Figura 6.2 apresenta o gráfico dos valores da eficiência E e do Eficiência (%) número de unidades logarítmicas removidas em função do par adimensional Kb.t e do número de dispersão d. A determinação do número de dispersão d foi discutida no Capítulo 2, Item 6. Deve-se atentar para o fato de que o coeficiente Kb, no regime de 92,00 mistura n=1 completa fluxo disperso, é diferente dos usualmente adotados para mistura completa (ver Item 3.4 e Capítulo 2, Item 6.4). Também aqui ressalta-se a importância de se ter uma lagoa com um baixo número de dispersão, ou seja, tendendo ao reator de fluxo em pistão, de forma a aumentar a eficiência de remoção. Para se obter eficiências superiores a 99,9% (3 log de remoção) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 com tempos de detenção não excessivos, necessita-se de um número de dispersão inferior a 0,3 ou, preferencialmente, inferior a 0,1. Tais números de dispersão são obtidos apenas com lagoas que possuem uma relação comprimento/largura (L/B) UNIDADES LOG REMOVIDAS superior a 5 (ver Quadro 2.7). 5 A Figura 6.3 apresenta o número de unidades logarítmicas removidas e a eficiên- 99,999 cia de lagoas de maturação, expressas em função da relação comprimento/largura (L/B). Nesta figura, a relação entre L/B e o número de dispersão d foi calculada 4 99,99 usando-se a equação de Yanez (Equação 2.9). Unidades log removidas cálculo da relação L/B em uma lagoa com divisórias internas (chicanas) pode 3 em pistão ser aproximado através de: n=4 99,9 2 n=3 99 (%) divisórias paralelas à largura n=2 (6.1) 1 mistura completa 90 divisórias paralelas ao comprimento L 0 (6.2) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 onde: L = comprimento da lagoa (m) série Fig. 6.1. Eficiências de remoção de coliformes, para diferentes valores de Kb.te do número de células em = largura da lagoa (m) n = número de divisórias internas 90 Lagoas de estabilização Lagoas de maturação 91REMOÇÃO DE COLIFORMES REMOÇÃO DE COLIFORMES Fluxo disperso Fluxo disperso UNIDADES LOG REMOVIDAS EM FUNÇÃO DA RELAÇÃO L/B 99,999 EFICIÊNCIA DE REMOÇÃO 5 100,00 L/B=32 L/B=16 99,99 4 d=0 L/B=8 98,00 d=0,1 d=0,5 EFICIENCIA (%) Unidades log removidas L/B=4 99,9 3 d=1,0 L/B=2 96,00 Eficiência (%) fluxo em pistão L/B=1 d=4,0 99 2 94,00 d=oo 90 1 92,00 mistura completa 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 90,00 K.t 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 K.t Fig. 6.3. Eficiência de remoção de coliformes e número de unidades log removidas, para diferentes valores de Kb.t e da relação comprimento/largura (L/B), assumindo fluxo disperso. A relação entre L/B e d foi calculada segundo Yanez (1993). UNIDADES LOG REMOVIDAS 5 99,999 3.4. coeficiente de decaimento bacteriano Kb d=0 4 coeficiente de decaimento dos coliformes (Kb) tem também uma grande d=0,1 99,99 influência na estimativa da concentração efluente de coliformes. A literatura apresen- Unidades log removidas ta uma grande dispersão de dados a este respeito, com o complicador adicional de 3 99,9 em pistão d=0,5 d=1,0 (%) que os diferentes valores de Kb foram obtidos assumindo-se distintos regimes hidráulicos (nem sempre reportados). A profundidade exerce uma grande influência 2 99 em Kb: lagoas mais rasas possuem maiores valores do coeficiente de decaimento d=4,0 bacteriano (Catunda et al, 1994; van Haandel e Lettinga, 1994). No entanto, deve-se 1 90 analisar o efeito combinado das lagoas mais rasas: Kb é maior, mas o tempo de mistura detenção t é menor (para uma dada área superficial). impacto no produto Kb.t pode 0 ser avaliado através das fórmulas apresentadas para os diferentes regimes hidráulicos. 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Em lagoas de estabilização em locais de clima quente e tendência à estratificação, a camada anaeróbia no fundo é mais representativa. decaimento bacteriano em K.t condições anaeróbias é inferior ao em condições aeróbias. Portanto, em uma lagoa facultativa, a eficiência de remoção de coliformes no verão pode ser inferior à de um inverno suave, em que há uma maior predominância das condições aeróbias (Arcei- Fig. 6.2. Eficiência de remoção de coliformes e número de unidades log removidas, para diferentes valores vala, 1981). de Kb.t e de d, assumindo fluxo disperso 93 Lagoas de maturação 92 Lagoas de estabilizaçãoA maior parte dos valores de Kb reportados para lagoas de maturação varia de 0,5 Com base nos valores obtidos na interpretação dos mencionados dados, o autor a 2,6 (20°C). valor mais elevado foi obtido por Marais (1974). No entanto, há propõe as faixas de Kb apresentadas no Quadro 6.3, para duas opções de modelo evidências (Yanez, 1993) de que os valores sejam menores, e mais próximos de 1,0 matemático: mistura completa (menos indicado, a menos que a lagoa tenha uma d⁻¹. Yanez apresenta diversos valores de Kb, obtidos de várias referências. Os menores relação L/B não muito superior a 1) e fluxo disperso (recomendada, para qualquer valores (a maioria inferiores a 1,0 foram obtidos adotando-se a hipótese de faixa de valores de L/B). As faixas dos valores de Kb foram selecionadas segundo as reatores de fluxo em pistão. Caso se assuma o regime de mistura completa, e profundidades mais usuais para lagoas facultativas e lagoas de maturação. admitindo-se que a lagoa não se comporta, na prática, como mistura completa ideal, há a tendência de se obter valores superestimados de Kb (ver discussão a respeito no Item 6.4, Capítulo 2). Quadro 6.3 Faixas de valores de Kb para lagoas facultativas e de maturação autor, analisando duas séries de dados apresentados por Oragui et al (1995) e Faixa de profundidade Kb para regime de Kb para regime de fluxo Pearson et al (1995) para um sistema composto de 14 lagoas facultativas e de Lagoa (m) mistura completa (d⁻¹) disperso (d⁻¹) maturação no nordeste do Brasil (Paraíba), obteve as seguintes conclusões: Facultativa 1,5 - 2,5 0,4 1,0 0,2 0,4 A utilização do modelo de mistura completa pode levar a inconsistência nas Maturação 0,8 1,4 0,5 2,5 0,3 0,8 estimativas, principalmente para lagoas mais alongadas. Notas: A utilização do modelo de fluxo disperso é mais recomendável, por permitir a Valores expressos a 20°C (temperatura do líquido) Valores obtidos pelo autor a partir de dados de lagoas no nordeste do Brasil, apresentados por Oragui et al (1995) e Pearson estimativa, com consistência, da concentração efluente de coliformes, para diversos et al (1995) formatos de lagoas. A utilização dos modelos de Agunwamba et al (1992) e Yanez (1993), empregados para A interpretação do Quadro 6.3 conduz aos seguintes comentários: a estimativa do número de dispersão no regime de fluxo disperso, conduziu a valores As faixas de Kb mais amplas para o regime de mistura completa retratam a maior de Kb bastante próximos, numa ampla faixa de profundidades H e relações L/B. dificuldade do modelo de mistura completa em reproduzir as condições de lagoas A profundidade da lagoa exerce um papel de fundamental importância na remoção de com diversos L/B coliformes, retratada através da grande influência no valor de Kb (ver Figura 6.4). As faixas mais estreitas de Kb para o regime de fluxo disperso indicam a sua maior adequabilidade em lagoas com uma ampla faixa de valores de L/B (no caso, variando de 1 a 142). Coeficiente Kb em função da profundidade A relação entre os valores de Kb calculados segundo o regime de mistura completa e os valores de Kb calculados segundo o regime de fluxo disperso (Kb mistura Fluxo disperso completa / Kb fluxo disperso) varia principalmente entre 1,5 e 3,0, para valores 2,5 usuais do produto Kb.t, segundo o Quadro 2.8. Esta relação é reproduzida nas faixas 2 do Quadro 6.3. 1,5 Dentro de um faixa, os valores maiores de Kb são para as menores profundidades 1 Apesar dos valores estarem expressos na temperatura padrão de 20°C, deve-se relembrar que o nordeste do Brasil possui elevada insolação, durante a maior parte 0,5 do ano, favorecendo a penetração da radiação ultra-violeta (bactericida) e uma 0 maior fotossíntese (elevando o pH, também bactericida). Locais com menores 0 0,5 1 1,5 2 insolações poderão apresentar menores valores de Kb. H (m) Para outras temperaturas, Kb pode ser corrigido através da fórmula: = Kb20 (T-20) (7.1) Fig. 6.4. Variação de Kb em função da profundidade H. Sistema de 14 lagoas no Nordeste do Brasil. Calculado com base em duas séries de dados apresentados por Oragui et al (1995) e Pearson et al (1995). onde: Regime hidráulico de fluxo disperso. Número de dispersão calculado utilizando a fórmula de Agunwamba et al (1992). Temperatura de 20°C. = = coeficiente de temperatura. 95 94 Lagoas de estabilização Lagoas de maturaçãoTambém os valores de variam, segundo a literatura. Os valores extremos 5. CRITÉRIOS DE PROJETO 1,19) foram reportados por Marais (1974). Segundo Yanez, no entanto, estes valores A necessidade de elevadas eficiências faz com que o regime hidráulico a ser estão superestimados, e os valores de a serem adotados devem estar próximos a adotado para as lagoas de maturação seja direcionado para favorecer esta maior 1,07. eficiência. Em assim sendo, as lagoas de maturação devem se conformar a uma destas duas configurações: 4. REQUISITOS DE QUALIDADE PARA EFLUENTE fluxo em pistão (percurso predominantemente longitudinal, que pode ser alcançado numa lagoa com chicanas através de defletores, que forcem um percurso em Caso não haja utilização direta prevista para o efluente do tratamento, os padrões zig-zag) nacionais de lançamento não explicitam limites para os coliformes (Resolução células em série (preferencialmente 3 ou mais) CONAMA 20, 18/06/86). No entanto, há padrões para o corpo receptor, que são função da classe a que o mesmo pertence. Portanto, estudos de decaimento bacteriano As lagoas de maturação são usualmente projetadas com baixas profundidades, de necessitam ser executados também no corpo receptor, para se determinar a contagem forma a maximizar os efeitos bactericidas da luz solar, bem como da fotossíntese, máxima permissível no efluente. Os padrões de coliformes para os corpos água são, resultando na elevação do pH. Valores comumente adotados são: segundo a resolução CONAMA: Profundidade H: 0,8 a 1,5 m Devido à baixa profundidade das lagoas de maturação, a introdução de chicanas Quadro 6.3 Padrões para coliformes nos corpos segundo a Resolução CONAMA n° ou divisórias é facilitada. As chicanas podem ser contruídas com taludes, com 20, 18/06/86 madeira, ou com lona ou membranas plásticas apoiadas em estruturas como cercas Parâmetro Classe 1 Classe 2 Classe 3 Classe 4 internas. Coliformes totais (NMP/100 ml) Ao se dimensionar as lagoas de maturação, deve ser levada em consideração nos 5.000 20.000 Coliformes fecais (NMP/100 ml) 200 1.000 4.000 cálculos a prévia remoção de coliformes nas unidades de montante (ex: lagoas facultativas). Mara (1996) propõe ainda a observância aos seguintes critérios: Caso o efluente seja utilizado diretamente para irrigação irrestrita (para culturas Tempo de detenção mínimo em cada lagoa, de forma a evitar curto-circuitos e que podem apresentar riscos de contaminação), os valores recomendados, segundo a varrimento de algas: 3 dias Organização Mundial de Saúde (WHO, 1989) são: Taxa de aplicação superficial máxima na primeira lagoa de coliformes fecais: 1.000 coliformes fecais/100 ml maturação, de forma a evitar sobrecarga orgânica: 75% da taxa de aplicação na ovos de helmintos: 1 ovo/l lagoa facultativa precedente É interessante notar que os padrões da OMS para utilização direta em irrigação irrestrita (1.000 coliformes fecais/100 ml) correspondem aos nossos padrões para corpos d'água de Classe 2, após a diluição esgoto/corpo receptor. De maneira geral, para qualquer dos critérios listados acima (irrigação ou corpo receptor), as contagens de coliformes no efluente devem ser bem baixas. Consideran- do-se que as concentrações de coliformes totais no esgoto bruto são da ordem de 10⁶ a organismos/100 ml, e de coliformes fecais, da ordem de 10⁵ a 10⁸ org/100 ml, as eficiências de remoção no tratamento devem ser elevadíssimas. Para atendimento aos padrões acima, são necessárias eficiências de remoção de coliformes da ordem de 3 a 4 log (99,9 a 99,99%). 96 Lagoas de estabilização 97 Lagoas de maturaçãoBIBLIOTECA CENTRAL UFLA 6. EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO (L/B) d Exemplo 6.1 (2,5) = Dimensionar um sistema de lagoas de maturação para tratar efluentes do sistema de lagoas facultativas (Exemplo 2.3), com as seguintes características: População = 20.000 hab Caso houvesse sido utilizada a fórmula de Agunwamba (1992), ter-se-ia Vazão afluente = 3.000 m³/d obtido d = 0,35, ou seja, um valor bem próximo ao obtido pela fórmula de Temperatura: T (líquido) Yanez. Dados das lagoas facultativas (obtidos no dimensionamento do Exemplo 2.3): e) Coeficiente de remoção de coliformes Número de lagoas: 2 Comprimento de cada lagoa: L 269 m Na lagoa facultativa, valor de Kb é inferior ao obtido em uma lagoa de Largura de cada lagoa: 108 maturação, devido à maior profundidade da lagoa facultativa. Assumir, Profundidade: H 2,0 m presente exemplo, Kb = 0,2 para 20°C e regime hidráulico de fluxo Solução: disperso (ver Item 3.4, Quadro 6.3). Para 23°C, tem-se: 1. Coliformes no esgoto bruto a) Carga de coliformes fecais (CF) f) Concentração efluente de coliformes Produção per capita de coliformes fecais: 4x10¹⁰ (adotado; ver Quadro 2.8, Volume 1 da série) Adotando-se a equação para fluxo disperso (Quadro 6.1), e sabendo-se que tempo de detenção nas lagoas facultativas é de 38,7 dias (Exemplo 2.3), Carga de coliformes: tem-se: Carga = População Produção per capita 20.000 CF/d b) Concentração de coliformes fecais esgoto bruto 4ae¹/²ᵈ = concentração = vazão carga 3.000 10¹⁴ CF/d 57,45 CF/100ml 10⁷ CF/100 ml 0,043 CF/100ml 2. Remoção de coliformes nas lagoas facultativas Esta concentração efluente da lagoa facultativa é a concentração afluente à c) Regime hidráulico a ser adotado nos cálculos lagoa de maturação. dotar regime de fluxo disperso A eficiência de remoção de coliformes na lagoa facultativa é de: d) Número de dispersão dotando-se a fórmula de Yanez (1993) (Equação 2.9), sabendo-se que a E No 100 X 98,7% relação L/B em cada lagoa facultativa é igual a 269/108 = 2,5, tem-se: 67143 98 Lagoas de estabilização 99 Lagoas de maturação3. Alternativa: três lagoas de maturação em série j) Eficiências de remoção g) Volume das lagoas eficiência das lagoas de maturação é: Adotar um tempo de detenção total igual a 12 dias (4 dias em cada lagoa). Volume de cada lagoa: E No 100 3,5 1.020 V 4 d 3.000 m³/d 12.000 m³ eficiência global do sistema de lagoas facultativas lagoas de maturação h) Dimensões das lagoas na remoção de coliformes é: Profundidade: H = 1,0 m (adotado) Área superficial de cada lagoa: = V/H 12.000 m³/1,0 m 12.000 m² E No 1.020 99,996% Área superficial total: 12.000m²x3 = 36.000 m² Obs: caso houvesse sido adotado regime hidráulico de fluxo disperso, com Dimensões: adotar lagoas quadradas a relação L/B=1 em cada lagoa, ter-se-ia obtido: Número de lagoas: 3 Número de dispersão: d = 1,0 (segundo a fórmula de Yanez) Largura 110 m Coeficiente de remoção: Kb=0,7 d¹ (ver item 4.p abaixo) Comprimento = 110 m Concentração efluente: N = 2.840 CF/100 ml Profundidade = 1,0 m Eficiência de cada lagoa de maturação: = Eficiência das 3 lagoas em série: Ematur = 99,19% A área total requerida pela lagoa de maturação (incluindo taludes, vias etc) Eficiência global (lagoas facultativas lagoas de maturação): é em torno de 25% superior à área líquida determinada. Portanto, a área total requerida é estimada como 1,25x36.000 m² = 45.000 m² 4,5 ha. Eglobal Estes valores são relativamente próximos aos calculados com regime de i) Concentração de coliformes no efluente final mistura completa, considerando-se toda a incerteza associada aos diversos Assumindo-se modelo de mistura completa para cada lagoa (já que as dados de entrada. mesmas são quadradas), e adotando-se um valor de d¹ para 20°C, tem-se: 4. Alternativa: lagoa única com chicanas Kb para l) Volume da lagoa Adotar um tempo de detenção igual a 12 dias. Volume da lagoa de maturação: Concentração efluente de coliformes (ver Quadro 6.1, sistema de células em série): V d 3.000 36.000 m³ No m) Dimensões da lagoa 1.020 CF/100ml Profundidade: H 1,0 m (adotado) Área superficial: A = V/H = 36.000 m³/1,0 m 36.000 m² Em termos práticos, pode-se dizer que sistema de lagoas proposto pratica- Adotar dimensões externas quadradas, mas dimensões internas divididas com mente atende aos padrões da OMS para irrigação irrestrita (1.000 CF/100 3 chicanas. As chicanas podem ser de lonas, madeira, taludes de terra ou ml) e, independente de diluição, aos padrões para corpos d'água Classe 2 do outro material mais adequado. CONAMA (1.000 CF/100 ml). 101 100 Lagoas de estabilização Lagoas de maturação